8.5: La biosfera
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Compuesta por organismos vivos y los materiales y estructuras que producen, la biosfera es una de las cinco principales esferas ambientales. La naturaleza de la biosfera y su papel esencial en la sustentabilidad son los temas del Capítulo 13. La bioquímica, la química que ocurre en la biosfera, se discute en el Capítulo 7. La biosfera es de obvia importancia para la discusión del suelo y la agricultura en el Capítulo 12. Los aspectos de la biosfera son importantes en la sustentabilidad que se tratan en otros capítulos del libro.
Los organismos vivos que componen la biosfera son el tema de la ciencia de la biología. Las clases de biomoléculas que componen estos organismos se describen en el Capítulo 7. Incluyen proteínas que son los componentes básicos de los organismos, carbohidratos elaborados por la fotosíntesis y metabolizados por organismos para obtener energía, lípidos (grasas y aceites), y los ácidos nucleicos más importantes (ADN, ARN), materiales genéticos que definen la esencia de cada organismo individual y actúan como códigos para biosíntesis y reproducción directa de proteínas. La organización jerárquica es una característica de los organismos vivos en la progresión de biomoléculas < células vivas < órganos < organismos < la biosfera, en sí misma. Los organismos llevan a cabo procesos metabólicos en los que alteran químicamente sustancias para obtener energía y sintetizar nueva biomasa. Una función esencial de los organismos es la reproducción, y sus crías pasan por diversas etapas de desarrollo. A través de su ADN, los organismos expresan herencia, y las modificaciones del ADN provocan mutaciones.
A pesar de ser un sistema imperfecto de clasificación, se considera que los organismos pertenecen a varios reinos. Tres de estos son organismos capaces de existir como células individuales, pero que a menudo ocurren en colonias de células indiferenciadas agrupadas: (1) Arquebacterias sin núcleos celulares definidos que no requieren oxígeno ni luz y que a menudo existen en ambientes extremos como aguas termales; (2) eubacterias sin núcleos celulares definidos que incluyen heterótrofos que metabolizan material orgánico, cianobacterias que obtienen energía a través de la fotosíntesis y miembros que obtienen su energía mediando reacciones de materia inorgánica; y (3) protistas consistentes en organismos unicelulares que tienen núcleos celulares definidos encerrados por un membrana nuclear y a menudo tienen características similares a animales, como flagelos móviles similares a pelos que permiten que los organismos se muevan en el agua. En niveles más complejos se encuentran generalmente las plantas multiceladas (plantas) y animalia (animales), así como hongos incluyendo levaduras, mohos y hongos.
Se utilizan varios términos para describir a los organismos y su lugar en los ecosistemas. Una población de organismos consiste en un grupo de la misma especie. Los grupos que conviven en una misma ubicación conforman una comunidad. Las comunidades interactuantes y su entorno físico conforman un ecosistema, todos los cuales agrupados constituyen toda la biosfera. La base de cualquier ecosistema es su productividad, la capacidad de producir biomasa, generalmente a través de la fotosíntesis en la que los organismos eliminan el dióxido de carbono de la atmósfera y lo fijan en forma de materia orgánica que es convertida posteriormente por procesos bioquímicos en proteínas, grasas, ADN, y otros moléculas de vida. Estas biomoléculas constituyen la base de toda la cadena alimentaria del ecosistema de la que depende el resto de los organismos de la cadena alimentaria para su existencia. En el agua, la mayor cantidad de biomasa en la base de la cadena alimentaria es producida por algas, fitoplancton fotosintético que crece suspendido en el agua. Algunos protozoos y algunas bacterias también tienen capacidades fotosintéticas. Los principales organismos fotosintéticos en los ecosistemas terrestres son las plantas que crecen en el suelo.
El esquema de las principales características de la biosfera se muestra en la Figura 8.6. En su mayor parte la biosfera está anclada por especies vegetales dominantes que son los principales productores de biomasa. Las especies de plantas dominantes también pueden modificar el ambiente físico de manera que faciliten la existencia de otras especies. Los grandes árboles dominantes en una selva tropical obviamente forman un ambiente al que otros organismos se adaptan, por ejemplo, al proporcionar lugares seguros de anidación para las aves. La sombra que proporcionan los árboles conforma un microclima y un grado de refugio a nivel del suelo en el que pueden prosperar ciertos tipos de organismos. El liquen, una combinación sinérgica de hongos y algas fotosintéticas que crecen en la superficie de las rocas, inclina las rocas para eventualmente producir suelo en el que pueden crecer otras plantas.
La biosfera ha sufrido cambios evolutivos masivos y relacionados con el clima a lo largo de millones de años. Cambios mucho más rápidos y a veces dramáticos han sido causados por influencias humanas. Podría decirse que el más notable de estos ocurrió después de que Colón descubriera las Américas en 1492. Separadas por vastos océanos, las biosferas de los hemisferios oriental y occidental habían evolucionado en gran medida independientes entre sí. A medida que los humanos introdujeron organismos de un hemisferio a otro, se produjo un fenómeno a menudo espectacular llamado liberación ecológica, ya que las poblaciones de algunas especies explotaron cuando fueron introducidas en regiones libres de sus depredadores naturales. El Bluegrass State of Kentucky obtuvo su nombre del prolífico crecimiento de esta hierba introducida desde Europa; el trébol de Europa también creció rápidamente en el Nuevo Mundo. Los melocotones recién introducidos crecieron tan bien en las Carolinas y Georgia que se expresaron temores sobre el desarrollo potencial de un “desierto de melocotonero”. Algunas regiones del Perú fueron inundadas con menta recién introducida. Es posible que una explosión de población humana en partes de África fuera posible gracias al maíz productivo del hemisferio occidental que permitió sacar a millones de personas del continente a la esclavitud sin agotar a la población africana. Originaria de la Cordillera de los Andes de América del Sur, la papa se convirtió en un elemento básico de la dieta en Irlanda. Cuando el catastrófico tizón fúngico de Phytophthora infestans diezmó el cultivo en la década de 1840, Irlanda perdió la mitad de su población debido al hambre y la emigración. Trágicamente, la viruela introducida en América del Norte por los europeos diezmó a las poblaciones nativas americanas, reduciendo las poblaciones de algunas tribus en un 90%.
La biosfera tiene efectos significativos en las demás esferas ambientales y viceversa. Los materiales generados en la biosfera se utilizan en la antrosfera; la madera es uno de esos materiales. La productividad biológica está determinada en gran medida por las condiciones del suelo geosférico. La disponibilidad del agua de la hidrosfera determina en gran medida los tipos y poblaciones de organismos. Los fertilizantes y pesticidas producidos en la antrosfera tienen una fuerte influencia en la productividad biológica en la agricultura. Proteger organismos de contaminantes, desechos y sustancias tóxicas generadas en la antrosfera es una alta prioridad en la protección ambiental. El diseño y funcionamiento de la antrosfera influyen fuertemente en la naturaleza de la biosfera y su productividad, especialmente en el sector agrícola.
La biosfera determina en gran medida el medio ambiente de la Tierra. El oxígeno de la atmósfera fue generado por bacterias fotosintéticas hace eones. Las comunidades de líquenes de algas y hongos que crecen sinérgicamente actúan sobre el suelo geosférico que forma rocas que sustentan la vida vegetal. La antrosfera de sociedades menos industrializadas ha sido en gran parte producto de la biosfera en la que han existido los humanos residentes. Manadas masivas de bisontes proporcionaron alimentos, batas y el material para las viviendas tipi de los nativos americanos de las llanuras norteamericanas. La disponibilidad y los tipos de madera han determinado en gran medida la naturaleza de las viviendas construidas en muchas sociedades. Hace más de 2000 años, los animales domesticados aprovechados para carros, vagones y arados proporcionaron a los humanos movilidad y la fuente de energía utilizada para cultivar el suelo. Muchas sociedades, incluidos los agricultores amish en Estados Unidos, todavía utilizan caballos, burros, mulas, bueyes y búfalos de agua para el cultivo de la tierra y el transporte de mercancías. Uno de los principios básicos de la química verde y la sustentabilidad es el uso de materiales de la biosfera para reemplazar los producidos a partir de petróleo escaso y costoso.
Para lograr la sustentabilidad los humanos tienen mucho que aprender de los organismos de la biosfera que a lo largo de millones de años han desarrollado herramientas esenciales de supervivencia. Un aspecto importante es la capacidad de prosperar y ser productivo bajo las condiciones suaves y seguras en las que pueden existir los organismos, condiciones que son más deseables para la síntesis química verde y otras actividades sustentables. Incluso las condiciones bajo las cuales algunas bacterias termófilas prosperan en las aguas termales termales del Parque Nacional Yellowstone son suaves en comparación con las condiciones mucho más altas de temperatura y alta presión requeridas en muchas síntesis químicas. La intolerancia de los organismos vivos a las sustancias tóxicas proporciona valiosas lecciones sobre qué sustancias deben evitarse en la práctica de la química verde.
Importantes lecciones en el desarrollo de sistemas sustentables de ecología industrial (Capíto13) son aportadas por la biosfera. A lo largo de cientos de millones de años de evolución, los organismos de la biosfera han tenido que evolucionar ecosistemas sustentables para su propia supervivencia, reciclando completamente los materiales y mejorando su entorno. En contraste, los humanos se han comportado de formas insostenibles con respecto a su propia existencia, explotando recursos no renovables y ensuciando el medio ambiente del que dependen para su propia supervivencia. Los ecosistemas complejos y sustentables en los que los organismos viven de manera sostenible en relación entre sí y con su entorno sirven como modelos para sistemas antropogénicos. Al tomar lecciones de la biosfera y sus ecosistemas de larga data, los humanos pueden desarrollar sistemas de industria y comercio mucho más sostenibles.
Un respeto crucial en el que la biosfera es clave para lograr la sustentabilidad es su capacidad para realizar fotosíntesis y síntesis de materiales especializados. Utilizando el dióxido de carbono de la atmósfera y la energía del sol, los organismos producen materiales biogénicos de una manera mucho más verde, más segura y sustentable que la manera en que se producen los materiales en la antrosfera. Además, los organismos están particularmente bien adaptados para fabricar una variedad de materiales complejos y especializados que son muy difíciles o imposibles de fabricar por medios puramente químicos.