12.6: Estabilidad y Equilibrio de la Biosfera

Para que un organismo sobreviva y prospere, debe alcanzar un estado de estabilidad y equilibrio con su entorno. El término que se le da a tal estado es homeostasis (“mismo estatus”). Al mantener la homeostasis, un organismo debe interactuar con su entorno y otros organismos en su entorno y debe equilibrar los flujos y el procesamiento de la materia (incluidos los nutrientes) y la energía. De manera individual, los organismos hacen un trabajo notablemente bueno al mantener sus niveles internos de agua, materiales como el calcio en la sangre y la temperatura dentro de un rango propicio para su bienestar. Los mamíferos han desarrollado capacidades extraordinarias de homeostasis; un individuo sano mantiene su temperatura interna dentro de unas décimas de grado. El concepto de homeostasis se aplica a grupos enteros de organismos que conviven en ecosistemas y, en última instancia, a toda la biosfera. Por lo tanto, un objetivo importante de la ciencia ambiental, incluyendo la práctica de la química verde, es mantener y potenciar las condiciones de homeostasis en la biosfera.

La ecología describe la interacción de los organismos con su entorno y entre ellos. Una consideración importante en ecología es la manera en que los organismos procesan la materia y la energía. Un ecosistema describe un segmento del ambiente y los organismos en él con todas las interacciones y relaciones que implica. Un ecosistema tiene medios de captura de energía, casi siempre por plantas o algas que realizan la fotosíntesis. La luz, la temperatura, la humedad y los suministros de nutrientes son aspectos críticos de un ecosistema. Los ecosistemas reciclan los nutrientes esenciales de carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre y oligoelementos. Una parte importante de cualquier ecosistema es la cadena alimentaria, o redes alimentarias más complicadas, en las que los alimentos generados por la fotosíntesis son utilizados por diferentes organismos a diferentes niveles. Un aspecto importante de la cadena alimentaria con respecto a los productos químicos orgánicos persistentes y poco degradables que son solubles en el tejido lipídico (graso) ocurre a través de la secuencia de animales que se comen en la cadena alimentaria (las pequeñas criaturas en el agua son alimentadas por peces pequeños que son consumidos por peces grandes que son consumidos por aves grandes) . Así, los contaminantes acuáticos se concentran más en el tejido lipídico en la parte superior de la cadena alimentaria, un proceso llamado biomagnificación (ver Sección 12.9). Un objetivo de la práctica de la química verde es evitar la generación y uso de sustancias químicas capaces de biomagnificación en el ambiente.

El entorno sobre un área geográfica relativamente grande en la que vive un grupo de organismos constituyen un bioma. Hay una serie de diferentes tipos de biomas. Las regiones cercanas al ecuador pueden soportar biomas de la selva tropical que permanecen calientes todo el año y en los que los nutrientes permanecen en gran parte en los organismos (el suelo de la selva tropical suele ser notablemente pobre en nutrientes, que se mantienen principalmente en la biomasa forestal). Las regiones templadas pueden soportar bosques caducifolios templados en los que los árboles cultivan nuevas hojas para una temporada cálida y húmeda de verano y las arrojan para inviernos fríos. Las regiones templadas también pueden tener biomas de pastizales en los que el pasto crece a partir de una masa dura de raíces densas llamadas césped. La tundra son regiones árticas sin árboles en las que durante el verano solo una capa de suelo húmedo se descongela sobre una base de permafrost permanentemente congelada. El calentamiento global está provocando algunos cambios profundos en los biomas de la tundra.

Diferentes tipos de biomas plantean una variedad de desafíos ambientales. Algunos de estos han surgido de la conversión de biomas en tierras de cultivo. Los pastizales en los que se ha roto el césped para apoyar el trigo y otros cultivos han demostrado ser susceptibles a la erosión eólica, lo que dio lugar al catastrófico Dust Bowl que causó tan grandes penurias en las Grandes Llanuras de Estados Unidos durante la década de 1930. Los cambios climáticos resultantes del calentamiento global podrían cambiar la distribución de los biomas, dando lugar a áreas mucho más grandes de desiertos cálidos que los humanos podrían tener que aprender a utilizar.

Biomas en lugares inesperados

El pensamiento convencional en el pasado era que los biomas ocurrirían solo en aquellas áreas donde la luz solar permitía la conversión de carbono inorgánico en biomasa que pudiera sostener una red alimentaria. Fue una sorpresa para los científicos marinos en 1977 que miles de metros por debajo de la superficie del océano Pacífico, demasiado profundos para que la luz penetrara y sin cantidades significativas de lluvia de la biomasa generada en las aguas superficiales, existían biomas que estaban rebosantes de gusanos tubo, almejas y mejillones. Ahora se sabe que esta abundancia de vida se nutre de microorganismos que prosperan en manantiales volcánicos calientes y que obtienen su energía a través de la quimiosíntesis mediando reacciones de sulfuro de hidrógeno y otras sustancias a menudo tóxicas para organismos más familiares.

Un nuevo tipo de hábitat se encontró en 1954 con el descubrimiento de organismos, incluyendo gusanos tubo de más de dos metros de largo que pueden tener siglos de antigüedad, que prosperan en la filtración de petróleo en los fondos oceánicos relativamente fríos. Estas colonias, que pueden contener cientos de especies diferentes, son especialmente abundantes en el fondo marino del Golfo de México, donde cuentas españolas de los años 1500 notaron manchas de petróleo por fugas naturales de petróleo.

Respuesta de los Sistemas de Vida al Estrés

Los organismos y los ecosistemas en los que existen están sujetos a una serie de amenazas que pueden derivar en la pérdida de poblaciones e incluso en la destrucción total del sistema. Las amenazas naturales incluyen sequía, inundaciones, incendios, deslizamientos de tierra y erupción volcánica. Los humanos amenazan los sistemas de vida con cultivo, deforestación, minería y contaminación severa. La capacidad de una comunidad de organismos para resistir la alteración y el daño de tales amenazas, a veces llamadas inercias, depende de varios factores y brinda lecciones importantes para la supervivencia de la comunidad humana ante las amenazas ambientales. Uno de los factores básicos involucrados en proporcionar resistencia de una comunidad al daño es su tasa general de fotosíntesis, su productividad. Otro factor importante es la diversidad de especies para que si una especie es destruida o seriamente agotada, otra especie pueda ocupar su lugar. La constancia del número de diversos organismos es deseable; amplias variaciones en las poblaciones pueden ser muy perturbadoras para una comunidad biológica. Finalmente, la resiliencia es la capacidad de las poblaciones para recuperarse de grandes pérdidas.

La capacidad de un sistema biológico para mantener altos niveles de los factores deseables enumerados anteriormente se determina comúnmente por factores distintos a los organismos presentes. Esto es claramente cierto para la productividad, que es una función de la humedad disponible, el clima adecuado y el suelo rico en nutrientes. Dado que todos los organismos dependen de la disponibilidad de buenas fuentes de alimentos, la diversidad, la constancia y la resiliencia tienden a seguir una alta productividad.

Relaciones entre Organismos

En un ecosistema sano y diverso, existen numerosas relaciones, a menudo complejas, entre los organismos involucrados. Las especies de organismos se influyen fuertemente entre sí. Y los organismos pueden alterar en gran medida la porción física del sistema en el que viven. Un ejemplo de tal influencia es el césped duro de anclaje al suelo que se desarrolla en los biomas de pastizales.

En la mayoría de los ecosistemas existe una especie vegetal dominante que proporciona una gran fracción de la biomasa anclando la cadena alimentaria en el ecosistema. Esta podría ser una especie de pasto, como la hierba de estem azul que prospera en los pastizales de Kansas Flint Hills. Los herbívoros se alimentan de las especies de plantas dominantes y otras plantas y, a su vez, son comidos por carnívoros. Al final del ciclo alimentario se encuentran organismos que degradan la biomasa y la convierten en nutrientes que pueden nutrir el crecimiento de plantas adicionales. Estos organismos incluyen lombrices de tierra que viven en el suelo y bacterias y hongos que degradan el material biológico.

En un ecosistema saludable, diferentes especies compiten por el espacio, la luz, los nutrientes y la humedad. En un ecosistema no perturbado se aplica el principio de exclusión competitiva en el que existen dos o más competidores potenciales de manera que minimizan la competencia por los nutrientes, el espacio y otros factores requeridos para el crecimiento. Gran parte de la química agrícola se dedica a tratar de regular la competencia de las malezas con las plantas de cultivo. Se aplican grandes cantidades de herbicidas a las tierras de cultivo cada año para matar las malas hierbas competidoras. En este concurso interminable, la química verde tiene un papel importante en áreas como la síntesis de herbicidas que tienen el máximo impacto en plagas objetivo con mínimo impacto en el medio ambiente.

Dentro de los ecosistemas hay un gran número de relaciones simbióticas entre organismos que existen juntos para su beneficio mutuo. El caso clásico de tal relación es el de liquen constituido por algas y hongos que crecen juntos. Los hongos anclan el sistema a la superficie de una roca y producen sustancias que degradan lentamente la roca y extraen nutrientes de la misma. Las algas son fotosintéticas, por lo que producen la biomasa que requiere el sistema, la cual es utilizada en parte por los hongos. Otra relación simbiótica importante es aquella en la que las bacterias fijadoras de nitrógeno crecen en nódulos en raíces de plantas leguminosas. Las bacterias reciben nutrientes de las plantas a cambio de nitrógeno químicamente fijado requerido para la nutrición de las plantas.