Ciclos Biogeoquímicos: El Flujo de Nutrientes en los Ecosistemas

¿Cómo se Desplazan los Nutrientes Dentro de los Ecosistemas?

Nutrientes

Elementos y pequeñas moléculas que constituyen todos los componentes básicos de la vida. Existen dos tipos:

Macronutrientes: Se necesitan en grandes cantidades: agua, carbono, nitrógeno, fósforo, azufre…
Micronutrientes: Se necesitan en pequeñas cantidades: hierro, zinc, selenio…

Ciclos de Nutrientes (o Biogeoquímicos)

Describen las trayectorias que siguen estas sustancias durante el tránsito de las comunidades a las partes inanimadas de los ecosistemas y luego de regreso a las comunidades.

Reservas

Lugares y fuentes de nutrientes. Se encuentran en el ambiente inanimado o abiótico.

Ciclos Biogeoquímicos Importantes

1. Ciclo del Carbono

Se almacena como dióxido de carbono en la atmósfera, océanos, en forma de roca como en las piedras calizas y de combustibles fósiles en el subsuelo.
Es el marco estructural de todas las moléculas orgánicas, formadas por cadenas de átomos de carbono.
Entra a la comunidad cuando los productores captan dióxido de carbono durante la fotosíntesis. En tierra, la obtienen de la atmósfera. En agua, las algas y diatomeas lo encuentran disuelto en el agua.
Existe más cantidad de carbono en el agua que en la atmósfera.
Los productores devuelven parte del CO₂ a la atmósfera y al océano durante la respiración celular y el resto lo incorporan a su cuerpo.
Los consumidores primarios se alimentan de productores y se apropian del carbono almacenado en sus tejidos. Estos, liberan carbono al respirar y guardan el resto, que luego es consumido por organismos de niveles tróficos más altos.
Cuando los seres vivos mueren, los descomponedores degradan su cuerpo y su respiración celular devuelve CO₂ a la atmósfera y océanos.
Los organismos microscópicos marinos y los moluscos extraen CO₂ disuelto en el agua y lo combinan con calcio para construir sus conchas. Al morir, estas se acumulan en depósitos submarinos, son sepultadas y con el tiempo se transforman en piedra caliza.
Combustibles fósiles: Se forman a partir de los restos de plantas y animales antiguos. A través de millones de años, la temperatura y presiones elevadas transforman el carbono en moléculas orgánicas de estos organismos prehistóricos en hulla, petróleo o gas natural.
Cuando quemamos combustibles fósiles, en la tala y quema de bosques, se libera CO₂ a la atmósfera.

2. Ciclo del Nitrógeno

La atmósfera contiene un 78% de nitrógeno.
Es un componente fundamental de las proteínas, vitaminas, ADN y ARN.
Ni plantas ni animales pueden extraerlo de la atmósfera, las plantas necesitan una provisión de nitrato o amoniaco.
Algunas bacterias del suelo sintetizan amoniaco y se asocian con plantas leguminosas: crecen donde fertilizan el suelo. Las bacterias descomponedoras también producen amoniaco a partir de los aminoácidos y la urea en los cadáveres y desechos.
Tormentas eléctricas, incendios forestales y la quema de combustibles fósiles combinan el nitrógeno con el oxígeno para producir óxidos de nitrógeno.
Los fertilizantes sintéticos contienen amoniaco, nitrato o ambos.
Las plantas incorporan el nitrógeno del amoniaco y el nitrato en sus aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos y vitaminas.
La planta es consumida por un consumidor primario o descomponedores. A medida que recorre la cadena alimentaria, parte del nitrógeno queda libre en los desechos y cadáveres, donde las bacterias descomponedoras del suelo y agua lo convierten de nuevo en nitrato y amoniaco. Así queda disponible para las plantas. Gracias a las bacterias desnitrificantes, el N vuelve a la atmósfera.

3. Ciclo del Fósforo

Es fundamental para las moléculas biológicas: ATP, ADP, ácidos nucleicos y fosfolípidos de las membranas celulares.
Es uno de los componentes principales de los dientes y huesos de los vertebrados.
Carece de componente atmosférico. Su reserva principal es la roca, donde se encuentra unido al oxígeno en forma de fosfato.
Las rocas ricas en fosfato expuestas a la intemperie se erosionan y la lluvia disuelve el fosfato. Este, disuelto, es absorbido a través de las raíces de las plantas y por otros autótrofos, como protistas y cianobacterias fotosintéticos, que lo incorporan a las moléculas biológicas.
Recorre las redes alimentarias, en cada nivel se excreta el fosfato excedente. Los comedores de detritos y descomponedores vuelven el fósforo residual de los cadáveres al suelo y al agua en forma de fosfato, donde puede ser absorbido por los autótrofos o quedar unido a los sedimentos y con el tiempo incorporarse de nuevo a la roca.
Gran parte del fosfato termina en los sedimentos marinos, un poco es absorbido por productores marinos y luego se integran al cuerpo de peces y vertebrados, quienes sirven de alimento para aves marinas que excretan grandes cantidades de fósforo en la tierra.

4. Ciclo del Agua

Su reserva es el océano.
La energía solar evapora el agua y la gravedad la trae de vuelta a la tierra en forma de precipitación. La evaporación tiene lugar en los océanos, buena parte del agua regresa por medio de la lluvia.
Un poco se evapora del suelo a los lagos y corrientes de agua.
Un poco escurre de la tierra y vuelve a los océanos, y una pequeña parte penetra hasta los depósitos subterráneos.
Parte del agua se incorpora a las comunidades vivientes de los ecosistemas. Las raíces de las plantas absorben el agua, una parte se evapora de las hojas y vuelve a la atmósfera. Otra pequeña parte se combina con dióxido de carbono para producir moléculas de alta energía.
Estas moléculas se descomponen durante la respiración celular y el agua liberada regresa al ambiente. Los consumidores obtienen agua de sus alimentos o bebiéndola.

Importancia del Carbono en Humanos

Nuestro cuerpo está constituido en gran parte por carbono, quien junto con el apoyo de otros compuestos forman cadenas necesarias para la formación de materia viva.
Es la base de los carbohidratos, proteínas y grasas.
Los productores utilizan dióxido de carbono para fabricar glucosa, quienes constituyen el primer eslabón de la cadena alimentaria.

Impacto Humano en los Ciclos Biogeoquímicos

Lluvia Ácida

Los procedimientos industriales emiten sustancias tóxicas y producen más nutrientes de los que los ciclos pueden procesar con eficiencia. En virtud del consumo masivo de combustibles fósiles, hemos sobresaturado los ciclos naturales del carbono, azufre y nitrógeno. La quema de combustibles fósiles libera dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno. En la atmósfera, estas sustancias se convierten en ácido sulfúrico y ácido nítrico, que luego regresan a la tierra como sedimentación ácida, incluida la lluvia ácida. Provoca daños en muchos bosques y amenaza la vida.

Calentamiento Global

La quema de combustibles fósiles incrementa el dióxido de carbono en la atmósfera. Tal aumento se correlaciona con el aumento global de las temperaturas. Casi todos los científicos dicen que el calentamiento global es resultado de las actividades industriales de los humanos.
El calentamiento global provoca que los hielos antiguos se derritan, también influyen en la distribución y actividades estacionales de la vida silvestre. Los científicos creen que el calentamiento global está comenzando a tener un efecto importante sobre los patrones climáticos y de lluvia, con resultados impredecibles.

Conceptos Básicos de Ecología

Todo ser vivo tiene células, nacen, crecen, se alimentan, se reproducen, se relacionan y mueren.

Tipos de Organismos

Autótrofos: Fabrican su propio alimento, pertenecen al reino vegetal y en el reino monera solo están: cianobacterias y quimiobacterias.
Heterótrofos: Se alimentan de otros.
Eucariontes:
1. Reino vegetal: autótrofos y productores.
2. Reino animal: todos heterótrofos, visibles y se desplazan.
3. Reino protista: unicelulares, no visibles y autótrofos y heterótrofos.
4. Reino fungi: hongos heterótrofos y descomponedores.
Procariontes:
1. Reino monera: unicelular, bacterias, autótrofos y heterótrofos.

Cadenas y Redes Alimentarias

Cadena alimentaria: Representación visual o lineal de cómo se alimentan los heterótrofos, pero a nivel natural no existen, ya que más de un depredador va a buscar a otro.
Población: Conjunto de individuos de una misma especie. Comunidad: Conjunto de poblaciones. Ecosistema: Componentes vivos y no vivos que interactúan en un área determinada. Biosfera: Todo el planeta.
Red alimentaria: Muestra las múltiples cadenas alimentarias interconectadas de una comunidad.
1. Productor.
2. Herbívoro/consumidor de primer orden.
3. Carnívoro de primer orden/consumidor de segundo orden.
4. Carnívoro de segundo orden/consumidor de tercer orden.
5. Descomponedores.

Pirámides Ecológicas

Indican la cantidad de materia o energía que se va a encontrar. Los productores son los que van a tener mayor energía.

La pirámide de masa o población solo prioriza la cantidad.
Pirámide energética: Ley del 10%, se consume solo el 10% de la energía que tuvo al principio.
Pirámide de números: Hay productores que se necesitan en gran cantidad para alimentar a un individuo (ej: pasto-conejo), pero también puede haber un productor de gran estructura para alimentar a muchos (ej: árbol-cuncuna).
Pirámide de biomasa: Puede ser invertida.

Tipos de Relaciones Ecológicas

Parasitismo: +, -. Ejemplo: piojo y humano.
Mutualismo: + +. Ejemplo: pájaro tic-tic y elefante.
Comensalismo: + 0. Ejemplo: el tiburón y el pez rémora.
Depredación: + -. Ejemplo: león y jabalí.
Competencia: – -. Ejemplo: león y león.
Amensalismo: + 0. Ejemplo: mantis religiosa, la hembra se come al macho después de reproducirse.

Fotosíntesis

Plantas, algas y cianobacterias producen fotosíntesis, pero también hay otro grupo que realiza fotosíntesis sin sol llamada: quimiosíntesis.

Cloroplasto: Organelo donde ocurre la fotosíntesis.
Fases de la fotosíntesis:
1. Fase clara: tilacoides (membrana).
2. Fase oscura: estroma (es como el citoplasma).
Ambas ocurren simultáneamente pero se necesita el producto de una para que la otra funcione, así forman un ciclo.
La tilacoide utiliza la molécula de agua y energía lumínica para formar dos moléculas energéticas: ATP (instantánea) y NADPH (molécula transportadora). Al romperse esta molécula de agua se obtiene O₂. Fase dependiente de la luz, se realiza de día.
La fase oscura depende del CO₂, agua, ATP y NADPH. Esta fase independiente pasa por el ciclo de Calvin para obtener la glucosa, la que ayuda a que la planta pueda cumplir sus funciones. Las plantas almacenan el exceso de glucosa en forma de almidón.

Factores que Afectan la Fotosíntesis

Intensidad lumínica: Solo le sirve la luz visible, un rango específico.
Temperatura: Es eficiente entre 10°C y 35°C, igual pueden realizar algunas plantas en otras temperaturas.
CO₂: Ayuda a la síntesis de moléculas orgánicas.
Agua: Se rompe en la fase clara, obteniendo O₂ y en la oscura se usa para la glucosa.
Sales minerales: Regulan el proceso para obtener glucosa.

Productividad

Primaria bruta: Toda la energía captada por el sol para hacer fotosíntesis. Función de los productores.
Primaria neta: La bruta menos la energía usada por el metabolismo de la planta. PPN = PPB – R.
Secundaria: Acumulación de la energía por los consumidores, menos las funciones de los consumidores.