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CICLOS NATURALES
Carlos von der Becke
CICLOS DE NUTRIENTES.
Con la expresión Ciclos de Nutrientes se describe el proceso por el cual setenta de los noventa y dos elementos químicos de la corteza terrestre se reciclan desde los seres vivos al suelo, al agua y a la atmósfera, permitiendo que la vida se vuelva a aprovechar nuevamente de ellos.
De esos setenta elementos, veinte son más importantes y dos configuran el cuello de botella: el fósforo y el nitrógeno.
Cabe recordar que los elementos no se pueden transformar en la corteza del planeta unos en otros (excluimos al núcleo terrestre y a los laboratorios y usinas nucleares y sus residuos).
La biología evolutiva conduce a una mejor comprensión geológica de los nichos ecológicos que se fueron generando en la corteza terrestre y marítima. Cada especie que lograba establecerse, modificaba automaticamente el ambiente, como la lata de querosén que se puebla de bacterias (parágrafo 1). Los estromatolitos, por ejemplo, servían de pastoreo. Si no se reciclaban los componentes involucrados, se producía un colapso del ecosistema hasta entonces coevolucionado. Los genes egoistas de cada una de las especies tenían que adquirir conductas coordinadas para lograr adaptaciones exitosas dentro del conjunto. Tiene que aumentar el valor de información cuando hay numerosas especies que comparten un ecosistema.
Los elementos se deben reciclar, pero energía hay suficiente, por lo cual en ecología no cabe la palabra equilibrio, usada correctamente para situaciones sin aporte externo. De día hay una contínua provisión de energía solar, variable con la hora. Los fotosintetizadores se duplican en esos momentos eficientemente.
Estas dos circunstancias desequilibran cualquier conjunto de reacciones. De noche se establecen velocidades de consumo mucho más rápidas que las de producción mientras los elementos se deben reciclar, la energía no es necesario que se recicle, dado que constantemente el sol es su fuente durante las horas diurnas. La vida asociada con los gases volcánicos del fondo de los mares son una excepción. Se puede generalizar que entre el sol y esos gases, que no debieran discontinuarse como a veces sucede, hay buen motivo para que la vida pueda seguir su marcha, alejada de todo equilibrio.
Hay un aporte neto de energía al final del día. Esto se prolonga para abarcar años y siglos. Las afirmaciones siguientes son importantes: no hay equilibrio alguno, hay en cambio un continuo aporte de sol. El equilibrio se lograría si una nube de origen volcánico tapara el sol por meses y ese equilibrio resulta en extinción de los pluricelulares y estasis (esporulación) de la mayoría de los unicelulares, que pueden estar así no menos de cincuenta años.
1. EL CICLO HIDROLOGICO.
Aunque el agua no es un elemento sino un compuesto, su ciclo, el ciclo hidrológico, está subyacente en todo el resto de los ciclos que vamos a considerar. El agua resulta necesaria para todas las formas de vida excepto para algunas muy simples. Además es el principal modo de transporte de nutrientes y productos de desecho. Las rocas y los suelos liberan otros nutrientes por su actividad solvatante (de poner en solución a un solido).
La gran proporción del agua está ubicada en los océanos y capas de hielo polares. Cerca del ecuador, el agua se evapora durante el día por efecto del sol y forma vapor de agua atmosférico. En general se la observa como nubes de varios tonos, pero tambien como neblina, lluvia, escarcha, granizo o nieve.
Al caer sobre los continentes, forma arroyos, ríos y napas de agua subterráneas que vuelven al mar. Las raíces de las plantas capturan algunas de esas aguas, sobre todo las de lluvia que humedeció a la tierra. Ascienden hasta las hojas. Hay árboles con hojas más altas altos que los 10,3 m que forman una columna de agua con vacío en su parte superior, expuesta en su parte inferior a la presión atmosférica. ¿Qué explicación se le ocurre a usted para esa ascensión extraordinaria? Piénselo y verifique sus propuestas al final del módulo.
Los animales beben agua y comen alimentos con agua. El agua es producto final de metabolismo, inclusive para descomponedores. Excretan agua por mecanismos de espiración, orina, transpiración, excreción, etc. Tambien las plantas devuelven humedad de varias maneras, en especial a través de las hojas expuestas al sol.
2. EL CICLO DEL CARBONO.
Como la vida se basa en el carbono la existencia continuada de las especies de un ecosistema exige que el carbono encerrado dentro de los organismos sea finalmente devuelto al ambiente. Esto ya lo hemos visto, inclusive explicamos bastante sobre el dióxido de carbono resultante de la respiración aeróbica. Comencemos entonces con el dióxido de carbono gaseoso libre en la atmósfera desde la formación misma del planeta. La cifra de su concentración depende de cianobacterias y luego plantas (que lo bajan de día formando azúcares).
En ausencia de otros seres vivos, las cianobacterias habrían acabado de fijar todo el CO2 primordial y se habría acabado la vida del planeta con ellas. Con las bacterias heterótrofas y levaduras y luego con los animales (que producen CO2 día y noche al quemar azúcares en su organismo), las cianobacterias y las plantas pueden seguir con su actividad diurna. Las plantas se suman a esa oferta de CO2 durante la noche. (Pregunta para que la piense: ¿es importante para la ecología el estímulo, supranormal o no, que provoca la ingesta de azúcares por parte de los animales? ) Si un herbívoro se come una planta o pastorea pastos, los microorganismos heterótrofos de sus estómagos (que a veces son 3, como en la llama ó 4, como en el bovino) los transforman en compuestos intermediarios del carbono que finalmente se degradan en CO2 , con energía para su supervivencia. Parte del carbono pasa a la leche, a la orina o a la materia fecal, esta última llena de microorganismos descomponedores, que siguen a la intemperie los procesos que antes efectuaban en los estómagos. Estos mismos son los microorganismos descomponedores encargados de transformar el material del animal muerto
CICLO DEL CARBONO
en dióxido de carbono. Tambien las plantas pueden morir y ser descompuestas por descomponedores, salvo que en un pantano las plantas muertas queden sumergidas sin el oxígeno atmosférico. Allí se forman turbas y finalmente carbón en lugar de gas CO2 , siempre con bacterias descomponedoras. Si no hay ese accidente u otros similares, la cantidad de CO2 absorbido por los fotosintetizadores coincide con el CO2 liberado por los otros procesos (respiración y descomposición) de los consumidores y descomponedores. El carbono fijado por fotosíntesis se devuelve.Aunque los combustibles fósiles bajo tierra tienen el resto del carbono que integra el ciclo. La formación de combustible exige millones de años, que - como se ha dicho (pag ---) - hoy al ser quemados subsidian energeticamente a la civilización industrial.Mientras tanto un átomo particular de carbono forma parte de muchísimos intermediarios de la química orgánica, entre los cuales tienen máxima importancia los detallados en el módulo III, referido a la biología molecular.
3. CICLO DEL OXIGENO.
Todas las explicaciones de las figuras 20 a hasta 20 e sirven para entender que tambien hay un ciclo para el oxígeno, del cual resulta que el O2 gaseoso es la forma más versátil por su agresividad y el O3 forma la capa protectora de ozono. En los vegetales ese oxígeno gaseoso es un producto, mientras que para microorganismos aeróbicos y para animales es un nutriente o el comburente para el combustible que es la fuente de carbono y de energía. La mitocondria logró cerrar el ciclo. En caso contrario la acumulación de oxígeno habría presumiblemente extinguido a las formas vivas (hipótesis de Lynn Margulis).
4. CICLOS DEL NITROGENO Y DEL FOSFORO
-En este parágrafo ya estamos en pleno tema de biología molecular, que ya viene esbozándose desde algunas páginas previas. Si la vida es basicamente COHN (símbolos químicos para los átomos de carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno), sigue el hidrógeno como H2O y el nitrógeno como N2 .El ciclo del nitrógeno se considera a continuación. Hay cinco tipos de bacterias que colaboran con este ciclo.
1 BACTERIAS FIJADORAS DE NITROGENO. Viven en el suelo y en las raíces de las plantas leguminosas, en pequeños nódulos. La industria biológica provee inoculantes que son bacterias fijadoras de nitrógeno gaseoso atmosférico (es el 80% de la atmósfera) que se adhieren a las semillas de las leguminosas, como por ejemplo la soja, antes de ser sembradas y que asisten luego al proceso de crecimiento con mejora en su rendimiento. Estas bacterias transforman el nitrógeno gaseoso en nitratos que son sales solubles en agua, que pueden pasar por las raíces a formar parte de la savia de la planta. Nótese que al estudiar la fig 20--- observamos tambien fijación del nitrógeno durante el precámbrico. Como no existían las leguminosas, nos estábamos refiriendo a algas capaces de fijar el nitrógeno atmosférico.
2 BACTERIAS PUTREFACTIVAS. Se encuentran en el fondo de los pantanos y lagunas y en la capa de humus de la tierra. Ellas descomponen a las proteínas vegetales y animales en compuestos del amoníaco, como por ejemplo el fosfato de amonio. Esa sal disuelta en agua de lluvia es procesada a continuación por el siguiente grupo de bacterias.
3 NITRITOBACTERIAS. Terminado el proceso de putrefacción (acompañado por malos olores del ciclo del azufre, que no detallamos aquí) las nitritobacterias usan las sales producidas como sustrato (fuente de energía) para transformarlas en nitritos solubles en agua y capturables por las raíces vegetales si hay suficiente agua, ingresando a formar parte de la savia.
4 NITRATOBACTERIAS. Las bacterias nitratantes están relacionadas con las fijadoras de nitrógeno porque aunque con diferentes sustratos, las dos terminan en el mismo producto, sales de nitrato. También están relacionadas con las nitritobacterias porque usan su producto como sustrato. Pero obviamente son un grupo aparte en sus caracterísiticas metabólicas.
5 BACTERIAS DESNITRIFICANTES. No son indispensables y operan al revés que las fijadoras de nitrógeno. Su sustrato son los nitratos y su producto final es el nitrógeno atmosférico.
6 SINTESIS DE PROTEINAS. Una vez en la savia de los vegetales, los nitratos pueden ser metabolizados en proteínas. Tambien las proteínas bacteriales se biosintetizan a partir de los nitratos que así no pasan a las plantas verdes. Tenemos ya las proteínas vegetales. ¿Qué pasa con ellas? A esta altura ya no le pedimos Chou, que lo piense: se lo contamos. O bien el vegetal es comido por un herbívoro o bien se muere, con lo cual es metabolizado por bacterias putrefactivas. * Si es comido por un herbívoro, primero se rompe la macromolécula en sus eslabones constituyentes, que son los amino-ácidos. Con ellos dentro de las células animales, se arman y desarman las proteínas animales con una gran velocidad, con mecanismos espectaculares por su precisión que estudiaremos en el módulo siguiente. Imaginese que se eslabonan correctamente millones de amino-ácidos y al rato se están volviendo a deseslabonar para empezar con varias proteínas simultaneamente en los obradores distribuidos por el citoplasma. Un eslabón recién desarmado, quien sabe cuál obrador lo captura y donde va a parar. Al rato otra vez está suelto. Pareciera que las proteínas no pueden ponerse demasiado viejas, porque todo este esfuerzo sigue y sigue y sigue. Si se descartan los amino-ácidos, se genera con ellos ya sea urea, guanina, ácido úrico o amoníaco. La urea es muy soluble y muchos animales beben agua para disolverla y orinarla, explicado esto sin teleología: son procesos no-intencionales. Si fuese guanina, se la excreta (aves guaníferas). La urea o el guano producidos por especies superiores se devuelven al ciclo con la ayuda de las bacterias del nitrógeno. El amoníaco y el ácido úrico casi seco (que ornamenta las estatuas de nuestros parques) producidos por especies animales inferiores, tambien vuelven al ciclo ya sea pasando directamente por las raíces, ya sea requiriendo la ayuda de bacterias.
* Si por otra parte, la planta se muere, las bacterias saprófitas (que proliferan en tejidos muertos) iniciales serán las que degradarán las proteínas vegetales para convertirlas en diversos compuestos de amonio, entre otros sin nitrógeno. Dos otras bacterias saprófitas se hacen cargo de esos compuestos.
Unas palabras más para el ciclo del fósforo. El malgasto del fósforo tiene influencia importante en los ecosistemas, ya que es muchas veces el elemento en déficit. Arrastrado por las aguas va a parar al fondo del mar desde donde es casi imposible que vuelva a ser utilizado por las plantas y, encadenadamente, por los animales terrestres. Para peor, el depósito de fósforo en huesos, dientes y conchillas y caparazones de moluscos no dispone de recicladores vivientes rápidos, como se observa en los registros fósiles que todavía no han reciclado el fósforo almacenado en ellos, pese a los millones de años pasados.
OTROS CICLOS. Para la vida se necesitan elementos como el hierro y el calcio, que tienen patrones bioquimicos muy complicados. Otros reconocidos como necearios son el potasio, el magnesio, el cobalto, el cadmio, el cobre, el manganeso, el cinc, el molibdeno, el boro, el sodio, el cloro, etc.