Biología para ingenieros/Ciclos biogeoquímicos

Ciclo hidrológico

Importancia y etapas del ciclo del agua

El agua conforma gran parte de la masa de la mayoría de los organismos y es crucial para los ecosistemas terrestres porque proporciona el agua dulce necesaria para la vida. Todas las especies usan el agua como medio para las reacciones químicas, por ejemplo, para que las bacterias y las raíces de la vegetación puedan absorber los nutrientes presentes en el suelo, estos deben estar disueltos en agua. Además, el agua es el transporte de materia dentro de las células y entre ellas. Por ejemplo, las hojas de las plantas sólo pueden absorber dióxido de carbono gaseoso después de que este se disuelve en una pequeña capa de agua que recubre las células dentro de la hoja. En definitiva, la vida no sería posible sin agua. .

Se puede dividir al ciclo hidrológico en las siguientes etapas (Al tratarse de un ciclo, el número 1 no es necesariamente el primer paso):

1. El agua dulce se destila a partir de agua salada por medio de la evaporación causada por los rayos del sol.

2. Luego ocurre la condensación, donde el agua dulce evaporada sube a la atmósfera, se congrega para formar una nube, se enfría, y se precipita como lluvia sobre los océanos y la tierra

3. El agua se evapora de la tierra, las plantas (transpiración) y los cuerpos de agua dulce. Como la tierra se encuentra por encima del nivel del mar, la gravedad hace regresar toda el agua dulce al mar. Mientras tanto, el agua queda contenida dentro de cuerpos estáticos (lagos y estanques), cuerpos que fluyen (arroyos y ríos) y acuíferos.

4. El agua es liberada en cantidades apreciables hacia pozos o manantiales. Los acuíferos se reabastecen cuando la lluvia y la nieve derretida se filtran en el suelo..

Aguas subterráneas

Una parte del agua que cae sobre la tierra se almacena en depósitos naturales subterráneos llamados acuíferos, los cuales se componen de grava, arenas o rocas que le proveen la impermeabilización necesaria para su contención. Los acuíferos se explotan para obtener agua para uso doméstico o riego de cultivos, sin embargo, el movimiento del agua desde la superficie hasta los acuíferos es lento y en muchas regiones del mundo como China, India, África del norte y california; el agua se saca de los acuíferos más rápido de lo que estos se reabastecen. Es evidente el agotamiento de los acuíferos cuando los pozos se secan o se debe perforar más profundo para encontrar el agua, esta escasez supondría cambios drásticos en la agricultura y la calidad de vida de todos los seres vivos. Los acuíferos son sondeados satelitalmente desde el espacio.

Ciclo del carbono

El movimiento mundial del carbono entre el ambiente abiótico, incluyendo la atmósfera y el océano, y los organismos se conoce como ciclo del carbono.

Importancia biológica del carbono y su circulación ambiental

Las proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, carbohidratos y otras moléculas esenciales para la vida contienen carbono, de ahí su importancia biológica, al ser un elemento usado por los organismos para elaborar estos componentes químicos celulares.

Antes de la Revolución Industrial, el ciclo mundial del carbono era estable. El carbono se movía hacia la atmósfera, el océano y los ecosistemas terrestres y desde éstos, pero estos movimientos dentro del ciclo global del carbono se cancelaban entre sí. Desde 1750, la sociedad ha liberado $CO_{2}$ a la atmósfera a un mayor ritmo del que el ciclo del carbono puede manipular. Desde entonces, el océano absorbe la mayor parte de este exceso de $CO_{2}$, en donde parte de este CO₂ se convierte en ácido carbónico $(H_{2}CO_{3})$ que vuelve ácidas las aguas oceánicas superficiales; esto daña a los organismos marinos, especialmente aquellos con esqueletos y conchas de carbonato de calcio $(CaCO_{3})$, una molécula que se disuelve en ácido. Este aumento de $CO_{2}$ parece haber iniciado los cambios del impacto antrópico en el clima mundial, cuyas consecuencias incluyen un aumento del nivel del mar, cambios en los patrones de precipitación pluvial, muerte de bosques, extinción de organismos y problemas para la agricultura; las cuales podrían forzar al desplazamiento de miles e incluso millones de personas, en particular de las zonas costeras. .

Fuentes y sumideros de carbono

Los sumideros de carbono son depósitos naturales (océanos, bosques y suelos) que capturan el $CO_{2}$ de la atmósfera, reduciendo su presencia en el aire. Debido a la deforestación, muchos bosques ya no son sumideros sino emisores de $CO_{2}$ y los océanos están cada vez más afectados por la acidificación.

Cuidar y aumentar la presencia de sumideros de carbono podría ayudar a la mitigación del cambio climático.

- Alrededor del $50\%$ del $CO_{2}$ antropogénico es absorbido por bosques y océanos. - Los humedales costeros pueden capturar $200t$ de carbono al año. - Las turberas, un tipo de humedales ácidos, contienen cerca de un tercio del carbono de los suelos del mundo.

Poco a poco surgen técnicas artificiales para el secuestro de carbono, tales como:

- Capturar el $CO_{2}$ emitido por centrales eléctricas que funcionan con carbón e inyectarlo a gran profundidad bajo la superficie terrestre.

- Usar técnicas geológicas de secuestro de carbono para inyectar el $CO_{2}$ en acuíferos salinos profundos, produciendo bolsas grandes de agua salada.

- Cultivar masivamente plantas que atrapen $CO_{2}$ para después quemarlo en centrales térmicas de biomasa cuyas chimeneas capturen el $CO_{2}$ y lo entierren en almacenamientos geológicos.

- Usar ventiladores que absorban $CO_{2}$ del aire por medio de filtros que se calientan a $100$°C con el calor generado por la planta de reciclaje. Esto generaría gas de $CO_{2}$ puro que sería reutilizable.

- Usar algas puestas cerca de una fuente de luz, ya que estos organismos son capaces de absorber dióxido de carbono y emitir oxígeno. .

Etapas del ciclo de carbono

En una comunidad, los productores capturan el carbono en forma de $CO_{2}$ durante la fotosíntesis; en el caso de los organismos fotosintéticos terrestres es captado de la atmósfera, mientras que los productores acuáticos como el fitoplancton lo obtienen disuelto en el agua. Los productores regresan carbono a la atmósfera o al agua como $CO_{2}$ generado durante la respiración celular y mantienen gran parte del carbono en sus cuerpos formando parte de sus biomoléculas. Cuando los consumidores primarios comen productores, adquieren este carbono almacenado. Consumidores primarios y organismos de niveles tróficos superiores liberan $CO_{2}$ durante la respiración, excretan compuestos de carbono en sus heces y almacenan el resto en sus cuerpos. Cuando los organismos mueren, los descomponedores regresan $CO_{2}$ a la atmósfera y los océanos por medio de la respiración celular. La ingesta por fotosíntesis y la liberación por respiración celular son procesos complementarios que continuamente reciclan carbono en los ecosistemas.

Gran parte del carbono está ligado a la piedra caliza, que se forma con carbonato de calcio $(CaCO_{3})$ depositado en el lecho marino en conchas de fitoplancton prehistórico. El reciclaje de este carbono es mucho más lento pues su movimiento desde esta fuente hasta la atmósfera y de regreso tarda millones de años.

Proyecto: Biología para ingenieros

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