Durante la transferencia de energía entre cada compartimiento del ecosistema hay pérdida en forma de calor, por lo que es necesario un aporte continuo de energía; en cambio los elementos químicos circulan repetidas veces a través de los componentes vivos y no vivos del ecosistema. No obstante, ambos procesos están estrechamente relacionados, ya que el flujo de energía impulsa el movimiento de los materiales. Un ejemplo claro lo constituye el movimiento del agua, cuya transferencia depende en gran medida de la acción de la energía solar.
Los ecosistemas son sistemas abiertos, y por lo tanto tienen entradas y salidas de materia. Este movimiento ocurre a través de varios mecanismos, como la migración de organismos, la circulación en cuerpos de agua como ríos y arroyos, la erosión, el movimiento de la atmósfera y por la actividad humana. Sin embargo, el uso de combustibles fósiles, de fertilizantes y otros químicos ha alterado considerablemente la circulación de los materiales naturales y además introduce contaminantes como plomo, cadmio y otros en los ciclos naturales.
Una parte de la circulación de la materia ocurre entre el componente biótico del ecosistema: de los autótrofos o productores a los herbívoros; de éstos a los carnívoros y cuando mueren actúan los desintegradores y detritívoros. Gracias a la acción de los descomponedores que desdoblan las moléculas orgánicas y las reducen a nitratos, fosfatos, carbonatos, etcétera, estos nutrientes son utilizados de nuevo por los autótrofos; sin embargo, la circulación de estas sustancias no solamente depende de los seres vivos, sino que implica procesos geológicos y químicos, razón por la cual se les ha dado el nombre de ciclos biogeoquímicos.
Los seres vivos están constituidos principalmente de moléculas orgánicas: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, que requieren para su formación de elementos como carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y fósforo. La disponibilidad de éstos en la Tierra depende de procesos propios de la atmósfera, hidrosfera, litosfera y biosfera, que modifican su disponibilidad para los productores.
Para comprender la manera como fluye la materia en los ecosistemas, es necesario considerar que circulan entre diferentes compartimientos. No todos los nutrientes tienen la misma movilidad: algunos tienen la capacidad de circular por todo el planeta, ya que se mueven en la atmósfera, la hidrosfera, el suelo y los seres vivos, como es el caso del carbono, el nitrógeno y el agua; en cambio, otros tienen una movilidad más limitada debido a que no pasan por la atmósfera, como el potasio y el fósforo. De acuerdo con lo anterior, los ciclos biogeoquímicos se clasifican en gaseosos y sedimentarios. En los ciclos gaseosos, el reservorio principal de los nutrientes es la atmósfera y la hidrosfera; en cambio, en los ciclos sedimentarios el principal reservorio lo constituyen el suelo, las rocas y los minerales, aunque los compuestos también pueden entrar o salir del ecosistema disueltos en el agua. Existen otros ciclos como el del azufre, que comparte características tanto con los gaseosos como con los sedimentarios.
La importancia de los ciclos biogeoquímicos radica en el hecho de que aseguran la disponibilidad de todos los elementos necesarios para la formación de moléculas orgánicas en los ecosistemas y la permanencia de la vida en el planeta.
Ciclo del carbono | La atmósfera y la hidrosfera son la reserva fundamental de carbono que se encuentra en forma de moléculas de CO2 y carbonatos, que los seres vivos pueden asimilar. Este gas compone 0.03% de la atmósfera y cada año se consume 5% de esta reserva por los procesos fotosintéticos. El regreso del CO2 a la atmósfera ocurre por efecto de la respiración de los seres vivos, que oxidan los alimentos produciendo CO2. La mayor parte de este retorno se debe a la actividad respiratoria de las raíces de las plantas y de los organismos del suelo, especialmente de las bacterias, y en mucha menor escala, por increíble que parezca, por la de los animales. De lo anterior, puede deducirse que la fotosíntesis y la respiración constituyen dos procesos que están implicados en el flujo del carbono en la naturaleza, sin olvidar que los combustibles fósiles almacenan grandes cantidades de carbono que permanecen inalterables, a menos que el hombre los utilice.
Los organismos acuáticos toman el carbono del agua, que suele hallarse en mayor concentración que otros gases como el O2 o el N2, porque forma ácido carbónico al reaccionar con el agua, el cual posteriormente se transforma en carbonatos. Algunos organismos de los ecosistemas marinos utilizan el CaCO3 para formar sus conchas, caparazones o esqueletos como en el caso de los arrecifes coralinos. Cuando estos organismos mueren, sus restos calcáreos se depositan en el fondo formando rocas sedimentarias calizas, en las que el carbono se retira del ciclo por miles y millones de años, para regresar lentamente a la atmósfera, conforme se disuelven estas rocas.
La circulación del carbono presenta algunas diferencias entre los ambientes acuáticos y los terrestres, ya que en los primeros la fijación del CO2, durante la fotosíntesis depende de la cantidad de gas que se disuelve en el agua, mientras que en los terrestres la fijación se da directamente en la atmósfera. Asimismo, se presentan variaciones estacionales y geográficas, pues la captura de CO2 depende también de la cobertura vegetal existente en un área determinada y de la cantidad de follaje.
El reciclaje del carbono es influido por factores como la precipitación y la temperatura, ya que éstos afectan la tasa fotosintética, así como la velocidad de la descomposición de la materia muerta llevada a cabo por los descomponedores; en los ecosistemas con altas temperaturas y niveles de precipitación como los bosques tropicales, el carbono circula a una mayor velocidad que en los bosques de coníferas o en los bosques templados, que son ecosistemas con temperaturas más bajas y menor disponibilidad de agua.
Es necesario resaltar que las actividades humanas han alterado significativamente el ciclo del carbono, debido principalmente a la quema de combustibles fósiles, que origina una mayor acumulación de CO2 en la atmósfera. Diversos experimentos y registros de datos demuestran que las plantas responden de diferente manera en ambientes enriquecidos en CO2. Si bien muchas tienen tasas fotosintéticas mayores, a largo plazo pueden responder en sentido inverso, al inhibirse algunas de las enzimas de la fotosíntesis (por ejemplo, la RuBisCo; véase el tema Biología celular, molecular y bioquímica), o bien, producir menos hojas a costa de una mayor producción de raíces.
El aumento de CO2 y otros gases contaminantes en la atmósfera se asocia con un fenómeno denominado "efecto invernadero", que consiste en la absorción de energía calorífica por parte de las moléculas de vapor de agua y de CO2 presentes en la atmósfera, que impiden la disipación del calor desde el suelo y mantienen las condiciones adecuadas para el desarrollo de la vida. Sin embargo, debido a la mayor concentración de gases de invernadero en la atmósfera, la Tierra mantiene más calor del que debiera, lo que contribuye al calentamiento global del planeta.
Ciclo del oxígeno | La reserva básica de oxígeno utilizable por los seres vivos está en la atmósfera y su ciclo se vincula en forma estrecha con el del carbono, pues el proceso mediante el cual éste es asimilado por las plantas, supone a la vez, el retorno del oxígeno a la atmósfera, mientras que el proceso de respiración genera un efecto inverso.
De particular interés para los seres vivos es la formación de ozono dentro del ciclo natural del oxígeno. En este proceso, algunas moléculas de O2 activadas por las radiaciones muy energéticas de onda corta, se rompen en átomos libres de oxígeno que reaccionan con moléculas de O2, para formar ozono (O3), que al absorber radiaciones ultravioletas vuelve a convertirse en O2.
Ciclo del nitrógeno | El nitrógeno es un elemento necesario para la síntesis de moléculas biológicas como los aminoácidos, los nucleótidos y la clorofila. Los productores lo toman en forma de nitratos o amoniaco —únicas formas utilizables por los organismos autótrofos— directamente del suelo o del agua. El nitrógeno se encuentra en abundancia en la atmósfera en forma de N2, en concentración aproximada de 78%, pero no se combina fácilmente con otros elementos; en esta forma química las plantas no pueden utilizarlo directamente.
El nitrógeno es uno de los elementos que frecuentemente escasean, lo que constituye un factor limitante de la productividad de muchos ecosistemas; es por ello que tradicionalmente se han abonado los suelos con nitratos para mejorar el rendimiento agrícola. Durante muchos años se utilizaron productos naturales ricos en nitrógeno como el guano o el nitrato de Chile; actualmente, a raíz de la síntesis artificial de amoniaco, es posible fabricar abonos nitrogenados que se emplean en grandes cantidades en la agricultura.
El ciclo del nitrógeno incluye varios procesos: la fijación del nitrógeno atmosférico, amonificación, nitrificación, asimilación y desnitrificación.
La transformación del nitrógeno atmosférico en nitratos o amoniaco (fijación) se lleva a cabo de dos maneras: por reacciones químicas de alta energía que aportan los relámpagos durante las tormentas eléctricas o bien a través de procesos biológicos efectuados por algunas bacterias denominadas fijadoras de nitrógeno. Entre ellas están las que viven en simbiosis con las raíces de las leguminosas y de otras plantas (por ejemplo Rizhobium), bacterias de vida libre como Azotobacter y Clostridium, y las cianobacterias que viven en cuerpos de agua (como en los campos de arroz), el suelo, y algunas asociadas con ciertas especies de líquenes.
La amonificación ocurre cuando los organismos mueren y actúan bacterias que transforman las moléculas orgánicas —proteínas y ácidos nucleicos— en compuestos de amoniaco para regresarlos al suelo. Esto también ocurre con las excreciones de los organismos.
En la nitrificación, las bacterias nitrificantes como Nitrosomonas y Nitrobacter, que se encuentran en el suelo, convierten el amoniaco en nitritos (NO2) y nitratos (NO3), que pueden ser utilizados por los vegetales.
Las raíces de las plantas absorben el amoniaco o el nitrato y lo utilizan para la síntesis de sus biomoléculas (asimilación). Los animales al alimentarse de plantas y otros organismos, incorporan el nitrógeno a sus tejidos y como resultado de su metabolismo se genera amonio, un ión que resulta tóxico. La eliminación del amonio se hace en forma de amoniaco soluble, como en algunos peces y organismos acuáticos; como urea, en el hombre y otros mamíferos; y en forma de ácido úrico en las aves y otros animales de zonas áridas. Estos compuestos se depositan en tierra o agua, de donde son tomados por las plantas y algunas bacterias.
La mayor parte de los compuestos nitrogenados que toman las plantas del suelo se produce por acción de bacterias y hongos que actúan como descomponedores. Otras bacterias, las desnitrificantes, regresan el nitrógeno a la atmósfera, al reducir el nitrato a nitrógeno molecular (N2) completando de esta forma el ciclo.
El nitrógeno puede entrar o salir de los ecosistemas terrestres, en forma de gas o como nitratos y nitritos disueltos en agua, que son transportados por los ríos y arroyos o por lixiviación. Los ecosistemas acuáticos reciben nitrógeno proveniente del suelo, además de la fijación del N2 atmosférico que llevan a cabo las cianobacterias. Otro aporte de nitrógeno para estos ambientes es la materia muerta en descomposición que libera amoniaco.
El ser humano altera el ciclo del nitrógeno con el uso de fertilizantes químicos y mediante la emisión de gases por parte de la industria y los automóviles; esto incrementa la producción de compuestos nitrogenados que alteran el balance natural de este elemento, tanto en los ecosistemas terrestres como en los acuáticos. Los óxidos de nitrógeno (NOx) que se acumulan en la atmósfera provenientes de las actividades antropogénicas, permanecen ahí por largo tiempo y reaccionan fotoquímicamente con el ozono, transformándolo en O2 y dióxido de nitrógeno (N2O). Por otro lado, el exceso de nitratos en el suelo y en el agua, provenientes de los fertilizantes usados en la agricultura, afecta negativamente a todos los ecosistemas. En el medio acuático, dañan la calidad del agua al favorecer la eutroficación, que degrada los cuerpos de agua continentales.
Además, en muchos ecosistemas en los que el nitrógeno es un elemento escaso, los vegetales son muy eficientes para la captura de compuestos nitrogenados y un exceso de estos inhibe el desarrollo de estas plantas, al dañar su sistema radicular.
Ciclo del agua | Este es tal vez el más dinámico de los ciclos, pues permanece en constante movimiento. La fuente principal de agua en nuestro planeta son los océanos; la energía del Sol provoca la evaporación de grandes cantidades de agua. En la atmosfera, el vapor de agua se condensa y cae en forma de lluvia o nieve. El agua que cae en los continentes desciende desde las montanas por los ríos o se filtra en el terreno acumulándose en forma de aguas subterráneas, pero gran parte de las aguas continentales acaba en los océanos. En todo su trayecto, el agua se evapora parcialmente y regresa a la atmosfera en un proceso incesante. Cuando el agua es incorporada por los seres vivos en sus tejidos, también es transpirada y regresa a la atmosfera. La energía del Sol mantiene este ciclo en funcionamiento continuo.
La vegetación puede tener una influencia importante en el flujo del agua; en condiciones normales una cierta cantidad de ella se absorbe por las raíces y es eliminada por la transpiración a través de las hojas; mientras parte de la que cae como precipitación se evapora o se escurre hacia el suelo. Cuando no hay vegetación, el agua de la lluvia se evapora, pero la mayor parte fluye hacia las corrientes de agua, arrastrando con ella al suelo del bosque.
Cuando se eliminan los arboles se pierde capacidad de evapotranspiración, mediante la cual se envía una gran cantidad de agua a la atmosfera, debido principalmente al hecho de que los estomas de las hojas tienen que estar abiertos para permitir la entrada del CO2.
A pesar de la enorme cantidad de agua que existe en el planeta, su disponibilidad para los ecosistemas terrestres está limitada por factores como el clima y la actividad humana, que pueden llevar a la desertificación; por esto, el agua se considera un factor limitante para la productividad primaria de los ecosistemas terrestres.
Por otro lado, debido a su gran capacidad de disolución y a la naturaleza global de su reciclamiento, el agua constituye el vehículo a través del cual se mueven numerosos nutrientes entre los ecosistemas acuáticos y terrestres, lo que facilita la interrelación entre ambos. No obstante, también puede ser el medio de transporte y deposición de una gran cantidad de sustancias y materiales contaminantes, que tienen efectos negativos aun en lugares lejanos a los centros urbanos e industriales donde se generan dichos contaminantes.
Ciclo del fósforo | La corteza terrestre es el mayor depósito de este elemento, de donde es extraído por meteorización de las rocas o por la actividad volcánica; de esa manera, el fósforo queda disponible para las plantas. También es arrastrado fácilmente por los ríos hacia el mar, donde una buena parte se sedimenta y llega al fondo oceánico para formar rocas que pueden tardar millones de años para liberar de nuevo las sales de fósforo. Sin embargo, una parte de este elemento es absorbida por el plancton que sirve de alimento a organismos filtradores, a peces y a crustáceos. Cuando estos animales son comidos por aves, sus heces o guano regresan una parte de ese fósforo a la superficie.
El fósforo es el principal factor limitante en los ecosistemas acuáticos, pero en aquellos lugares en los que las corrientes marinas suben del fondo arrastrando fósforo sedimentado, el plancton prolifera en la superficie, fenómeno conocido como afloramiento que permite la multiplicación de los bancos de peces, razón por la cual se han establecido pesquerías importantes como las de la Sonda de Campeche y las del Golfo de California.
No obstante la enorme importancia que representa el fósforo para los ecosistemas acuáticos, cuando llegan a los depósitos de agua grandes cantidades de este elemento, provenientes de la actividad agrícola o de aguas residuales, se produce una proliferación desmesurada de fitoplancton, que provoca turbidez. Además, el exceso de organismos causa un descenso en la concentración de oxígeno que ocasiona la muerte de peces e invertebrados; este fenómeno recibe el nombre de eutroficación. La solución para este problema es la modificación de las prácticas agrícolas, la desviación de las aguas residuales o el tratamiento químico que elimine el fósforo que contienen.
Ciclo del azufre | El reciclamiento del azufre en los ecosistemas tiene etapas gaseosas y sedimentarias. El azufre contenido en la atmósfera se encuentra principalmente en forma de ácido sulfhídrico (H2S) y proviene de varias fuentes: la actividad volcánica, la descomposición de materia muerta y la utilización de combustibles fósiles. Por medio de diversas reacciones químicas, este gas da origen tanto a ácido sulfúrico (H2SO4) como a sulfatos (SO4), que se disuelven en el agua de lluvia y se depositan en el suelo. Una vez en el suelo o en el agua, las cianobacterias, algas y plantas absorben los sulfatos, que es la única forma aprovechable para ellas. El azufre pasa por los diferentes niveles tróficos hasta los descomponedores, quienes degradan la materia muerta, reduciendo los compuestos orgánicos en sulfatos, mismos que pueden ser utilizados nuevamente por los organismos autótrofos. Este elemento regresa a la atmósfera en forma de H2S, mediante los procesos de descomposición de la materia muerta o bien por la transformación bacteriana de los sulfatos del suelo.
Al igual que otros ciclos biogeoquímicos, el del azufre ha sido alterado por las actividades humanas. El dióxido de azufre (SO2) presente en la atmósfera proviene tanto de las fuentes naturales (60%) como de la industria, las centrales eléctricas y los automóviles, que contribuyen con el porcentaje restante (40%). El SO2 es uno de los contaminantes más frecuentes y produce efectos negativos en los seres vivos. En los humanos es causante de trastornos como irritación del tracto respiratorio y asma bronquial, mientras en las plantas puede provocar desde daños foliares hasta la muerte.
Debido a su movilidad en la atmósfera, este gas frecuentemente es transportado a regiones distantes, provocando graves daños. El exceso de SO2 junto con los óxidos de nitrógeno, originan el fenómeno de la lluvia ácida; ésta se da mediante reacciones químicas entre estos compuestos y el vapor de agua, aceleradas por la acción de la energía solar. En los ecosistemas, la lluvia ácida puede modificar el balance de nutrientes de los vegetales, del suelo y del agua; además de causar daños a la salud humana y a la infraestructura inmobiliaria, lo que provoca grandes pérdidas económicas.
