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TEMA 11. EL CICLO DE LA MATERIA EN LOS ECOSISTEMAS.
La vida está ligada tanto al flujo de la energía como a la disponibilidad de los elementos
químicos esenciales para los seres vivos. La movilidad de estos elementos en los ecosistemas
es cíclica.
Existen una serie de factores abióticos que limitan la productividad de los seres vivos
(especialmente los productores). Así, cada especie puede vivir dentro de unos determinados
valores de temperatura, humedad, etc, que es lo que se conoce como límites de tolerancia
(para la temperatura, humedad...).
Un organismo sólo podrá vivir en aquellos medios en los que todos los factores que lo definen
estén dentro de sus límites de tolerancia.
1) ELEMENTOS BIOLIMITANTES.
Se denomina factor limitante a cualquier factor ambiental que no se encuentre dentro de los
límites de tolerancia a ese factor de la especie en cuestión o, estando dentro de ellos, frena un
mayor desarrollo de la población. No todos los factores que influyen en un proceso son
limitantes, pero pueden llegar a serlo si se cumple la Ley del Mínimo o de Liebig: “cualquier
proceso que depende de varios factores está controlado por el factor que más se aproxima
al valor para el cual el proceso se detiene”.
Si todos los factores (luz, temperatura, humedad) y elementos químicos (P, N, Ca, K, etc...)
están en cantidades necesarias excepto uno de ellos, este último que escasea será el factor o
elemento limitante.
La producción primaria se basa en la fotosíntesis, luego sus factores limitantes serán los de
dicho proceso: humedad, temperatura, nutrientes y luz.
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La temperatura es un factor muy limitante ya que sólo hay un rango en el que las
proteínas son químicamente estables, por encima o por debajo, se desnaturalizan. Existen
seres vivos adaptados a temperaturas bastante extremas en nuestro planeta, desde el
límite de la congelación, hasta bacterias extremófilas en aguas termales, o líquenes que
han sobrevivido en el espacio exterior. Una respuesta de los animales para evitar la
dependencia de la temperatura exterior fue desarrollar mecanismos de autorregulación
térmica, son los animales homeotermos, antiguamente llamados de sangre caliente. Otras
adaptaciones consisten en desarrollar estrategias comportamentales y fisiológicas como
hibernar, paralizando su actividad metabólica, o, ante el calor, adquirir hábitos nocturnos.
En general, en climas fríos se dan formas corporales redondeadas y extremidades cortas
para reducir superficie corporal, y en cálidos, largas extremidades.
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La humedad es limitante en tanto que es en medio acuoso donde se producen las
reacciones químicas de los seres vivos. Todas las células y organismos mantienen un medio
interno líquido, y necesitan reponerlo y evitar la desecación para sobrevivir. Animales y
plantas han desarrollado todo tipo de estrategias para minimizar sus necesidades de agua,
como producir semillas o esporas de resistencia durante periodos desfavorables, pero
dependen del medio acuático para la reproducción, y de una cierta cantidad de humedad
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ambiental. En los casos más extremos de sequedad ambiental las plantas han desarrollado
adaptaciones como crecer y florecer en breves periodos de tiempo, reducir el tamaño de
las hojas hasta convertirlas en espinas, y extender sus aparatos radicales para buscar
humedad o convertirlos en tubérculos de reserva.
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Concentraciones de CO2 y O2 en la atmósfera: la eficiencia fotosintética aumenta con la
temperatura y la humedad, siempre que no se alcancen valores de temperatura que
provocarían la desnaturalización de la enzima RuBisCo, que también está condicionada a
las concentraciones de oxígeno y dióxido de carbono:
Si la concentración es la normal en la atmósfera, la RuBisCo funciona incorporando dióxido
de carbono en la fotosíntesis y produciendo materia orgánica al tiempo que se
desprende oxígeno. Si la concentración de oxígeno supera el 21 % y la de dióxido
desciende por debajo de 0,03 %, se ralentiza la fotosíntesis y se produce fotorrespiración,
proceso inverso a la fotosíntesis y que ocurre a la vez, y en presencia de luz. En este
proceso no se produce glucosa sino que se consume O2 y se desprende CO2. Con ello
disminuye la eficiencia fotosintética bajando de un 30 a un 50 % la producción de materia
orgánica. En relación con esto se distinguen plantas de dos tipos:
C3 (trigo, patata, cebada, arroz, soja, tomate, judías, algodón, etc), que pierden mucha
agua por los estomas. En condiciones de sequía cierran los estomas para evitar la pérdida
de agua, lo que hace que se concentre más oxígeno producto de la fotosíntesis. Esto hace
que comience la fotorrespiración y disminuya la eficiencia.
C4 (maíz, caña de azúcar, sorgo, mijo, cactus, etc). Aunque tengan muy poco dióxido de
carbono cuentan con un sistema de bombeo incorporándolo desde la atmósfera y
acumulándolo en el interior de las hojas. Las cactáceas lo acumulan durante la noche
fijándolo en una molécula de cuatro carbonos (mecanismo CAM de las crasuláceas) de la
que lo liberan para realizar la fotosíntesis durante el día.
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La insolación directa y la temperatura suelen estar asociados, y muchas adaptaciones de
seres vivos responden a ambos factores, pero hay que considerar que la luz es limitante
como “nutriente”, ya que determina el crecimiento de los organismos autótrofos, que para
su nutrición dependen de la fotosíntesis. Por tanto, las plantas y algas dependen de las
horas diarias y cantidad de insolación más que los animales.
En general, a medida que aumenta la intensidad luminosa, aumenta la producción pero
con intensidades elevadas la producción deja de aumentar como consecuencia de la
saturación del aparato fotosintético (la disposición de los fotosistemas en los cloroplastos
hace que se den sombra unos a otros). Así, la mayor eficiencia fotosintética se da al
amanecer y al atardecer.
En el medio acuático, la disponibilidad de luz para hace que se establezcan dos zonas bien
diferenciadas, en la zona fótica o iluminada es donde se encuentra mayor diversidad, ya
que los animales desarrollan su vida en torno al fitoplancton (organismos fotosintéticos).
En la zona afótica, donde no hay productores, se pueden encontrar extraños seres vivos
con adaptaciones muy particulares, como emitir luminiscencia.
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La carencia de cualquier nutriente esencial (P, N, C) también afecta a la eficacia
fotosintética. Como veremos al estudiar su ciclo en la naturaleza, el fósforo (sus sales o
fosfatos) es el principal factor limitante de la producción primaria, pues, aunque es
abundante, está inmovilizado en la litosfera. El segundo nutriente limitante es el
nitrógeno, muy abundante en la atmósfera, que es incorporado por las bacterias fijadoras
de nitrógeno asegurando su presencia en el suelo en forma de nitratos. Respecto al
carbono, es muy abundante en la atmósfera y en el agua en forma de CO2 o en forma
iónica.
En los ecosistemas marinos la fotosíntesis se produce sólo en las zonas superficiales hasta
donde penetre una luz suficiente (los primeros 200 m), mientras que la degradación de la
materia orgánica ocurre en los fondos donde están los organismos descomponedores. Es
necesaria energía externa como el viento, oleaje, corrientes para remover los nutrientes y
que puedan ser incorporados por los productores. Así, las zonas de productividad de los
océanos se limitan a las plataformas continentales, donde el oleaje remueve los nutrientes
del fondo, y a las zonas de afloramiento, en las que existen corrientes marinas que
arrastran los nutrientes desde zonas profundas hacia la superficie.
2) CICLOS BIOGEOQUÍMICOS.
Un Ciclo Biogeoquímico es el conjunto de procesos que puede experimentar un elemento
químico cuando pasa de un subsistema a otro, formando parte de diferentes moléculas. Las
actividades del ser humano tienden a alterar estos ciclos.
a) Ciclo del Carbono.
Es el principal elemento constituyente de la materia orgánica, a la que sólo puede ser
incorporado en forma de CO2. El ciclo del carbono es de vital importancia para la regulación del
clima planetario, siendo los grandes sumideros de dióxido de carbono los bosques y océanos.
En la atmósfera, la mayoría del carbono está en forma de CO2 y CH4. El metano procede de la
actividad de bacterias anaerobias, y el dióxido de carbono de la respiración de los seres vivos,
el vulcanismo, la quema de combustibles fósiles, los incendios forestales, y ciertas actividades
industriales. De la atmósfera se retira carbono hacia la biosfera mediante la fotosíntesis,
pasando a formar parte de caparazones y exoesqueletos de algunos organismos.
Por otra parte, el CO2 atmosférico es muy soluble, de modo que parte se disuelve en el agua y
forma parte de iones carbonato y bicarbonato en los océanos. Estos iones son fijados por
organismos, o de la hidrosfera el C puede volver a la atmósfera por difusión.
Otra posible opción para el C de la hidrosfera es pasar a la geosfera por precipitación,
formando parte de los sedimentos. Así, cuando los organismos que fijaron el C del agua
mueren, sus restos se depositan en el fondo. Cuando estos restos se disuelvan, volverán a la
hidrosfera, pero también pueden no disolverse, sino quedar enterrados y fundirse por
procesos geodinámicos ( en cuyo caso formarán parte de magmas emitidos por los volcanes y
volverán a la atmósfera como CO2), o quedar enterrados a más profundidad en condiciones
anóxicas y formar combustibles fósiles (carbón, petróleo..), pasando el dióxido a la atmósfera
de nuevo cuando sean quemados.
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Influencia Humana en el Ciclo del Carbono:
Actuamos fundamentalmente aumentando los niveles de metano y dióxido de carbono
atmosféricos:
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El aumento de metano se produce por los incendios, la ganadería intensiva, los suelos
inundados, la quema y los vertidos de combustibles fósiles.
El aumento de dióxido de carbono se produce por la deforestación y la quema de
combustibles fósiles y biomasa.
Ambos son gases de efecto invernadero, por lo que se provoca una subida general de la
temperatura planetaria, incluida la de los océanos. Esto implica una menor disolución de
dióxido en las masas de agua (la solubilidad de los gases decrece con la temperatura del
medio), de modo que se concentrará más dióxido en la atmósfera, incrementando el efecto
invernadero, y provocando así un bucle de retroalimentación positiva.
b) Ciclo del Nitrógeno.
En los seres vivos el nitrógeno está presente en las proteínas, el ADN y diversos componentes
celulares. La mayor parte de los procesos del ciclo del nitrógeno ocurren en la biosfera, y en
ellos intervienen principalmente las bacterias.
En la atmósfera, el nitrógeno se encuentra en forma molecular N2, así como en forma de
óxidos de nitrógeno y amoniaco. Este nitrógeno atmosférico tiene su origen en la actividad de
las bacterias descomponedoras desnitrificantes que viven en ambientes anóxicos.
En la biosfera, la mayor parte de los seres vivos no pueden asimilar el nitrógeno atmosférico, y
son las bacterias fijadoras de nitrógeno (cianobacterias y nitrificantes) las que lo transforman
en nitratos que podrán ser asimilados por los productores. Los nitratos y nitritos pueden
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transformarse de nuevo en nitrógeno gaseoso (por acción de bacterias desnitrificanates) y
liberarse de nuevo a la atmósfera.
En la hidrosfera, el N es poco soluble en agua. La mayor parte está en forma de nitratos,
asimilables por los organismos fotosintéticos. Otro aporte de nitrógeno a la hidrosfera es la
descomposición de los restos de organismos (proviene por tanto de la biosfera).
En la corteza, encontramos N fundamentalmente en forma de sales en las rocas evaporíticas
(se forman por precipitación a partir del agua), y son los procesos de meteorización quienes
transfieren el N desde la corteza a la biosfera o la hidrosfera. La actividad volcánica lo aporta a
la atmósfera.
Influencia Humana en el Ciclo del Nitrógeno:
Al utilizar abonos químicos en exceso, aumenta la cantidad de N en el suelo. Este puede
perderse como NO2 hacia la atmósfera, o bien ser arrastrado a las aguas superficiales o
subterráneas provocando eutrofización.
Al quemar combustibles fósiles se forman óxidos de nitrógeno que pasan a la atmósfera,
pudiendo precipitar con las lluvias, en forma de lluvia ácida.
El exceso de riego provoca en el suelo condiciones anaerobias, proliferando las bacterias
desnitrificantes y aumentando por tanto el paso del N a la atmósfera.
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c) Ciclo del Fósforo:
El fósforo es, junto al nitrógeno, uno de los nutrientes más importantes. El fósforo no se
encuentra en la atmósfera, ya que no forma compuestos gaseosos, y su baja solubilidad lo
hace muy escaso en la hidrosfera. Así, las mayores reservas de fósforo las encontramos en la
corteza terrestre.
En la biosfera, las plantas toman el fósforo en forma de fosfato disuelto en el agua del suelo. A
través de la alimentación se transmite por la cadena trófica. En los medios acuáticos, el
fitoplancton lo fija mediante fotosíntesis, y cuando el zooplancton lo ingiere, asimila una parte
y otra es excretada, de modo que vuelve al medio. Del zooplancton pasa a los peces, y de éstos
a las aves que se los comen. Estas aves devuelven parte del fósforo a la tierra en forma de
excrementos que denominamos guano (depósitos que pueden explotarse como fertilizantes).
En la hidrosfera, la mayor parte se acumula en los sedimentos del fondo, y es movilizado hacia
la superficie cuando se producen corrientes marinas ascendentes (afloramientos), lo que
genera una gran riqueza biológica y pesquera.
La corteza terrestre constituye el principal depósito de fosfato, en forma de fosfatos cálcicos.
Los procesos de meteorización lo liberan al suelo muy lentamente, y una vez disuelto en el
agua del suelo, volverá a ser tomado por las plantas.
La principal diferencia de este ciclo con respecto a los del carbono y el nitrógeno es que al no
formar compuestos volátiles que le permitan pasar a la atmósfera y de allí a los continentes,
una vez en el mar, el fósforo sólo puede ser reciclado hacia los ecosistemas terrestres
mediante las aves marinas, o por levantamientos geológicos.
Influencia Humana en el ciclo del fósforo:
El exceso de abonos y detergentes con fósforo aumenta las concentraciones de fósforo en la
geosfera y la hidrosfera.
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