Ciclos Biogeoquimicos

MÓDULO I. FLUJOS DE ENERGÍA A TRAVÉS DE LOS ECOSISTEMAS Y LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS.

COMPETENCIAS:

.- Conoce como ocurre la transferencia y cambios de energía provenientes del sol y como fluye la energía a través de los sistemas biológicos.

.- Conoce como se acumula y se transforma la energía a lo largo de la trama trófica (productores, consumidores de distintos órdenes y el nivel de los descomponedores).

.- Conoce como ocurre el ciclaje de la materia a través de los ecosistemas.

CONTENIDOS:

TEMA 1. LOS CICLOS DEL PLANETA.

El planeta Tierra es un sistema dinámico, en donde interactúan constantemente sus partes que desempeñan un papel importante en el sostenimiento de la vida, como son la atmósfera o envoltura gaseosa que rodea al planeta; la hidrosfera o agua liquida, congelada, dulce o salada del planeta; la geósfera formada por el núcleo, el manto y la corteza terrestres; la litosfera constituida por el suelo, las rocas, minerales y combustibles fósiles y la biosfera que comprende el dominio donde se encuentra la vida. Estas regiones o capas del planeta experimentan cambios a corto y largo plazo, en respuesta a los cambios en las condiciones ambientales generados por procesos naturales y por las actividades antrópicas. El conjunto de organismos vivos de la Tierra que interactúan entre sí y con su ambiente no vivo, se le llama ecosfera (Figura 1), en otras palabras, contiene la biosfera y sus interacciones con la atmósfera, la hidrosfera y la litosfera (Miller, 1994; Solomon y col., 1996).

Figura 1. La ecosfera, es el sistema que soporta la vida, muestra sus relaciones con las otras esferas de la tierra. (Fuente:http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2000088/lecciones/seccion1/capitulo04/tema05/01_04_05.htm)

La biosfera en la que el ser humano participa actualmente es el resultado de millones de años de interacciones entre los seres vivos y los componentes (no vivos) de la Tierra. La biosfera es un enorme sistema complejo, cuya dinámica se conoce de manera muy general. Dentro de las consecuencias de la larga evolución de la biosfera, se encuentra el establecimiento de algunos tipos de fenómenos cíclicos relacionados con la utilización de la energía y de materiales (Nelson, 2004).

Desde su formación, el planeta Tierra ha estado expuesto a fenómenos cíclicos. Entre ellos, la rotación diaria alrededor de su eje y la rotación anual alrededor del sol. A escalas de tiempo mayores se cree que los ciclos de glaciaciones están ligados a pequeñas variaciones de la órbita de la Tierra que modifican la recepción de la radiación solar (Schlesinger, 2000).

En los últimos dos millones de años, las oscilaciones climáticas se hicieron más violentas y frecuentes, lo que dio origen a las glaciaciones (Era de Hielo), llamadas así porque se caracterizan por acumulaciones persistentes de hielo y nieve (Figura 2). Las causas de estas oscilaciones parecen depender de fenómenos cíclicos que afectan a todo el planeta y el sistema solar. Las glaciaciones suelen tener efectos catastróficos sobre la fauna y la flora, a la vez que se habilitan nuevas áreas que pueden ser colonizadas. Esto se debe al descenso del nivel de los mares ya que el agua tiende a acumularse en los polos en forma de hielo. El enfriamiento global también lleva a la fragmentación territorial de los ecosistemas planetarios (Curtis y Barnes, 2001).

Figura 2. Ultima Glaciación. Diferencias de la circulación termohalina (conveyor belt) en el Atlántico en los estadiales fríos (izquierda) y en los interestadiales cálidos o episodios Dansgaard-Oeschger (derecha) trazo oscuro ascendente: circulación superficial; trazo oscuro descendente: circulación profunda; trazo blanco: frente polar oceánico).

El comienzo de la Edad de Hielo del Pleistoceno fue atribuido por Milankovitch a variaciones en tres parámetros de la órbita de la Tierra. El primero de ellos es la excentricidad orbital, es decir, el grado en que la órbita se aparta del círculo perfecto. Los cálculos indican un ciclo de aproximadamente 100.000 años entre tiempos de excentricidad máxima. Esto corresponde aproximadamente a 20 ciclos climáticos calientes-fríos que ocurrieron durante el Pleistoceno (Figura 3). El segundo parámetro es el ángulo del eje de la Tierra y una línea perpendicular al plano de la eclíptica. Este ángulo se desplaza alrededor de 1,5º de su valor actual de 23,5º durante un ciclo de 41.000 años (Figura 4). El tercer parámetro es la precesión de los equinoccios, la cual hace que la posición de los equinoccios y solsticios se desplace lentamente alrededor de la órbita elíptica de la Tierra, en un ciclo de 23.000 años (Figura 5). Los cambios continuos en estos tres parámetros son causa de que el calor solar recibido a cualquier latitud varíe ligeramente con el tiempo. Sin embargo, el calor total recibido por el planeta se mantiene poco alterado. De acuerdo con esta teoría, la interacción de estos tres parámetros desencadenó los episodios glaciares – interglaciares durante el Pleistoceno (Wicander y Monroe, 2000).

Figura 3. La excentricidad de la órbita de traslación de la Tierra alrededor del sol.

Figura 4. La inclinación del eje terrestre de rotación varía

con una periodicidad de unos 41.000 años.

Otro ciclo de largo plazo de la Tierra concierne la interacción entre el dióxido de carbono y la corteza terrestre. El CO2 de la atmósfera se disuelve en el agua de la lluvia formando ácido carbónico (H2CO3), que reacciona con los minerales expuestos en la superficie de la Tierra mediante el proceso conocido como meteorización de rocas. Los ríos transportan hasta los océanos los productos en solución del proceso de meteorización de las rocas. En los océanos, el carbonato de calcio se deposita en los sedimentos marinos, que con el tiempo la subducción de las placas llevará hasta el interior de la corteza. Allí los sedimentos sufren una metamorfosis: el calcio y el magnesio revierten a los minerales primarios de las rocas silíceas, mientras que el carbono retorna a la atmósfera en forma de CO2 a través de las emisiones volcánicas. En la Tierra, la corteza oceánica completa uno de estos ciclos en unos 100 a 200 millones de años. La presencia de vida sobre la tierra no acelera este ciclo; sin embargo, al aumentar la tasa de meteorización de rocas sobre los continentes y la tasa de deposición de sedimentos en los océanos puede aumentar la cantidad de materia transferida a través de diferentes vías (Schlesinger, 2000).

Figura 5. La precesión de los equinoccios, la cual hace que la posición de los equinoccios y solsticios se desplace lentamente alrededor de la órbita elíptica de la Tierra.

La biosfera también cambia constantemente en respuesta a ciclos. En las plantas la fotosíntesis domina sobre la respiración durante el día, mientras que por la noche ocurre lo contrario. Durante el verano, la fotosíntesis total en el hemisferio norte es mayor que la respiración de los descomponedores. Esto da lugar a un almacenamiento estacional de carbono orgánico en los tejidos de las plantas y a un descenso estacional de la concentración de CO2 atmosférico, que cada año muestra un valor mínimo en agosto. El ciclo anual se completa durante los meses de invierno, cuando el CO2 atmosférico retorna al nivel más alto debido a que la descomposición continúa durante el tiempo en que las plantas están inactivas o han perdido las hojas. Sería un grave error considerar únicamente los meses de verano al describir la actividad de la biosfera. Es importante, reconocer la existencia y periodicidad de ciclos y ajustar los modelos adecuadamente (Schlesinger, 2000).

En un contexto temporal más amplio, el tamaño de la biosfera ha aumentado y disminuido durante ciclos de glaciaciones, y el almacenamiento de carbono orgánico aumento notablemente durante el período Carbonífero, cuando se originaron los depósitos de carbón económicamente importantes. Todavía no se comprende bien las condiciones únicas que prevalecieron durante el período Carbonífero, pero es posible que formen parte de un ciclo de largo plazo que pudiera retornar (Schlesinger, 2000).

Durante el Cretáceo se favorecieron a las grandes concentraciones de calcio y un fuerte incremento del pH y de la alcalinidad de carbonatos en el Cenozoico tardío. Mientras que en el Cretáceo medio y Cenozoico temprano, prevalecieron altas concentraciones de CO2 atmosférico y altas temperatura en la superficie. El Cenozoico tardío fue frío, probablemente inducido por el incremento en la meteorización de los silicatos causada por el levantamiento de las montañas y la erosión (Wallmann, 2001).

TEMA 2. LA ENERGÍA

Según los físicos, la energía puede entenderse como la capacidad para realizar trabajo. De acuerdo con los bioquímicos, la energía representa la capacidad de cambio. Todos los seres vivos deben obtener energía de su ambiente; ninguna célula la produce. De hecho una de las leyes físicas fundamentales dice que la energía no puede crearse ni destruirse. Sin embargo, puede ser transformada de un tipo a otro. Existen muchas formas de energía: química, lumínica y mecánica, pero todas ellas pueden considerarse

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