Séptima semana del tercer periodo grado séptimo

El ciclo del nitrógeno

Puntos más importantes

• El nitrógeno es un componente esencial de los cuerpos de los seres vivos. Los átomos de nitrógeno se encuentran en todas las proteínas y en el $\text{ADN}$start text, A, D, N, end text.
   
• El nitrógeno existe en la atmósfera como ${\text{N}}_2$start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript gaseoso. Durante la fijación del nitrógeno, las bacterias convierten el $\text N_2$start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript en amoníaco, una forma de nitrógeno que puede ser utilizada por las plantas. Cuando los animales comen plantas, adquieren compuestos nitrogenados que pueden utilizar.
   
• El nitrógeno es un nutriente limitante común en la naturaleza y la agricultura. Un nutriente limitante es aquel que está disponible en una cantidad mínima y por lo tanto limita el crecimiento.
   
• Cuando los fertilizantes que contienen nitrógeno y fósforo llegan a los ríos y lagos, pueden provocar florecimientos de algas, proceso conocido como eutrofización.

¡El nitrógeno está en todas partes! De hecho el $\text N_2$ gaseoso compone alrededor del 78% del volumen de la atmósfera de la Tierra, lo que sobrepasa con mucho al ${\text{O}}_2$start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript que consideramos "aire"start superscript, 1, end superscript.

 

Pero tener nitrógeno a nuestro alrededor y ser capaz de aprovecharlo son dos cosas muy distintas. Tu cuerpo, y el de las plantas y animales, no tienen la capacidad de convertir el $\text N_2$ a una forma utilizable. Nosotros los animales, y nuestras amigas las plantas, no tenemos las enzimas para capturar o fijar el nitrógeno atmosférico.

 

Aun así, tu $\text{ADN}$start text, A, D, N, end text y tus proteínas tienen una buena cantidad de nitrógeno. ¿De dónde viene ese nitrógeno? En el mundo natural ¡proviene de las bacterias!

 

Las bacterias juegan un papel fundamental en el ciclo del nitrógeno.

El nitrógeno ingresa al mundo de lo vivo por medio de las bacterias y otros procariontes unicelulares que convierten el nitrógeno atmosférico, $\text N_2$start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, en formas biológicamente utilizables mediante un proceso llamado fijación del nitrógeno. Algunas especies de bacterias fijadoras de nitrógeno viven libremente en el suelo o el agua, mientras que otras son simbiontes benéficos que viven dentro de las plantas.

 

Las cianobacterias fotosintéticas se encuentran en la mayoría de los ecosistemas acuáticos que reciben luz solar y juegan un papel esencial en la fijación del nitrógeno.

 

Otro tipo de bacteria, Rhizobium, vive como simbionte en las raíces de las plantas leguminosas (como los chícharos, los frijoles y los cacahuates) y les provee de nitrógeno fijo.

 

Las bacterias de vida libre del género Azotobacter también son fijadoras de nitrógeno clave en los ecosistemas terrestres.

 

Los microorganismos fijadores de nitrógeno capturan el nitrógeno atmosférico al convertirlo en amoníaco, $\text {NH}_3$start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, el cual puede ser absorbido y utilizado por las plantas para producir moléculas orgánicas. Las moléculas nitrogenadas pasan a los animales cuando estos consumen plantas, y una vez dentro del cuerpo, pueden ser incorporadas al mismo o pueden ser degradadas y excretadas como desecho, como la urea de la orina.

El nitrógeno no permanece por siempre en los cuerpos de los seres vivos, por el contrario, las bacterias lo convierten de nitrógeno orgánico a $\text N_2$ gaseoso. Este proceso a menudo implica varios pasos en los ecosistemas terrestres. Las bacterias convierten los compuestos nitrogenados de los organismos muertos o sus desechos, en amoníaco ($\text {NH}_3$, el cual es convertido después en nitratos y nitritos. Finalmente, los procariontes desnitrificantes convierten los nitratos en $\text N _2$​start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript gaseoso.

 

El ciclo del nitrógeno en los ecosistemas marinos

Hasta ahora, nos hemos enfocado en cómo ocurre el ciclo natural del nitrógeno en los ecosistemas terrestres. Sin embargo, los pasos son similares en el ciclo del nitrógeno marino; ahí, los procesos de amonificación, nitrificación y desnitrificación son realizados por bacterias y arqueas marinas.

Algunos compuestos nitrogenados caen al suelo oceánico en forma de sedimento. A lo largo de periodos de tiempo prolongados, los sedimentos son comprimidos hasta formar rocas sedimentarias. Finalmente, el levantamiento geológico puede mover las rocas sedimentarias de nuevo a la tierra. En el pasado, los científicos no creían que estas rocas sedimentarias ricas en nitrógeno eran una fuente importante de nitrógeno para los ecosistemas terrestres. Sin embargo, un nuevo estudio sugiere que pueden ser bastante importantes, ya que el nitrógeno se libera gradualmente a medida que las rocas se desgastan, o meteorizan, quedando disponible para las plantas.

 

El nitrógeno es un nutriente limitante

En los ecosistemas naturales, muchos procesos, como la producción primaria y la descomposición, están limitados por la cantidad disponible de nitrógeno. En otras palabras, el nitrógeno a menudo es el nutriente limitante, el nutriente que se encuentra en menor cantidad y que por lo tanto restringe el crecimiento de los organismos o las poblaciones.

 

¿Cómo sabemos si un nutriente es limitante? A menudo, esto se comprueba de la siguiente manera:cubed

• Cuando un nutriente es limitante, añadir más aumentará el crecimiento, esto es, hará que las plantas crezcan más altas que si no se hubiera añadido nada.
   
• Si se añade un nutriente no limitante, no habrá ningún efecto, es decir, las plantas crecerán a la misma altura tanto si el nutriente está presente como si no.

Por ejemplo, si se añade nitrógeno a la mitad de las plantas de frijol en una huerta y se observa que crecieron más altas que las plantas sin tratamiento, eso sugeriría que el nitrógeno es limitante. Si en cambio, no vemos una diferencia en el crecimiento durante nuestro experimento, eso sugeriría que otro nutirente distinto del nitrógeno es el limitante.

 

El nitrógeno y el fósforo son los dos nutrientes limitantes más comunes tanto en los ecosistemas naturales como en la agricultura. Esta es la razón por la que verás que la etiqueta de la bolsa del fertilizante dice que contiene un montón de nitrógeno y fósforo.

 

La actividad humana afecta el ciclo del nitrógeno.

Nosotros los humanos no podemos fijar el nitrógeno biológicamente, ¡pero vaya que lo fijamos de manera industrial! Se producen alrededor de 450 millones de toneladas métricas de nitrógeno fijo cada año mediante un método químico llamado proceso de Haber-Bosch, en el que se hace reaccionar el ${\text{N}}_2$start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript con hidrógeno ($\text H_2$a altas temperaturas. La mayor parte de este nitrógeno fijo se usa para producir fertilizantes que utilizamos en nuestros huertos, jardines y cultivos agrícolas. 

 

En general, la actividad humana libera nitrógeno al ambiente por dos medios principales: la quema de combustible fósiles y el uso de fertilizantes nitrogenados en la agricultura. Ambos procesos aumentan los niveles de compuestos nitrogenados en la atmósfera. Los altos niveles de nitrógeno atmosférico, diferentes al $\text N_2$start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, se asocian con efectos perjudiciales, como la producción de lluvia ácida (en forma de ácido nítrico, $\text{HNO}_3$ y contribuyen al efecto invernadero, en forma de óxido nitroso, $\text N_2 \text O$start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text.

 

Además, cuando se usan los fertilizantes artificiales que contienen nitrógeno y fósforo en la agricultura, el fertilizante excedente puede llegar a los ríos, lagos y arroyos mediante escurrimiento superficial. Uno de los efectos principales del escurrimiento de fertilizantes es la eutrofización del agua dulce y salada. En este proceso, el escurrimiento de nutrientes produce una proliferación excesiva, o "florecimiento", de algas u otros microorganismos, cuyo crecimiento estaba limitado por la disponibilidad del nitrógeno o el fósforo.

 

La eutrofización puede reducir la disponibilidad de oxígeno en el agua durante la noche porque las algas y los microorganismos que se alimentan de ellas usan grandes cantidades de oxígeno en la respiración celular. Esto puede provocar la muerte de otros organismos que habiten en los ecosistemas afectados, como los peces y camarones, y resulta en la formación de áreas con poco oxígeno y sin especies, conocidas como zonas muertas.

Sexta semana del tercer periodo grado séptimo

El ciclo del carbono

Puntos más importantes

• El carbono es un elemento esencial en los cuerpos de los seres vivos. También es económicamente importante para los humanos modernos, en la forma de combustibles fósiles.
   
• El dióxido de carbono ($\text {CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript) de la atmósfera es absorbido por los organismos fotosintéticos que lo usan para producir moléculas orgánicas, las cuales viajan a través de las cadenas alimenticias. Al final, los átomos de carbono son liberados como $\text {CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript durante la respiración.
   
• Los procesos geológicos lentos, entre los que están la formación de rocas sedimentarias y combustibles fósiles, contribuyen al ciclo del carbono a lo largo de escalas prolongadas de tiempo.
   
• Algunas actividades humanas, como la quema de combustibles fósiles y la deforestación, aumentan el $\text {CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript atmosférico y afectan el clima y los océanos de la tierra.

El carbono: elemento constitutivo y fuente de energía

Alrededor del 18% de la masa de tu cuerpo compuesto por átomos de carbono, ¡y esos átomos son fundamentales para tu existencia!$^1$start superscript, 1, end superscript. Sin el carbono, no tendrías las membranas plasmáticas de tus células, ni las moléculas de azúcar que usas como combustible, ni siquiera el $\text{ADN}$ que porta las instrucciones para construir y poner en funcionamiento tu cuerpo.

 

El carbono es parte de nuestros cuerpos, pero también es parte de nuestras industrias modernas. Los compuestos de carbono de plantas y algas que existieron hace mucho tiempo forman los combustibles fósiles, como el carbón y el gas natural, que usamos actualmente como fuentes de energía. Cuando estos combustibles fósiles se queman, se libera dióxido de carbono ($\text{CO}_2$) en el aire, lo que resulta en niveles cada vez mayores de $\text{CO}_2$atmosférico. Este aumento en los niveles de ${\text{CO}}_2$ afecta el clima de la Tierra y es una preocupación ambiental importante en todo el mundo.

 

Echemos un vistazo al ciclo del carbono y veamos cómo el $\text{CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript atmosférico y el uso que los organismos vivos hacen del carbono encajan en este ciclo.

 

El ciclo del carbono

El ciclo del carbono se estudia con más facilidad como dos ciclos más pequeños interconectados:

• Uno que comprende el intercambio rápido de carbono entre los organismos vivos.
   
• Y otro que se encarga del ciclo del carbono a través de los procesos geológicos a largo plazo.

Aunque los veremos de manera separada, es importante tomar en cuenta que estos ciclos están enlazados entre sí. Por ejemplo, las reservas de ${\text{CO}}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript atmosférico y oceánico que son utilizadas por los organismos vivos son las mismas que los procesos geológicos reciclan.

 

Como una breve descripción, el carbono existe en el aire mayoritariamente como dióxido de carbono $\text{CO}_2$ gaseoso, el cual se disuelve en el agua y reacciona con las moléculas de esta para producir bicarbonato: $\text{HCO}_3^-$start text, H, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, minus, end superscript. La fotosíntesis que llevan a cabo las plantas terrestres, las bacterias y las algas, convierte el dióxido de carbono o el bicarbonato en moléculas orgánicas. Las moléculas orgánicas producidas por los organismos fotosintetizadores pasan a través de las cadenas alimenticias, y la respiración celular convierte nuevamente el carbono orgánico en dióxido de carbono gaseoso.

El almacenamiento de carbono orgánico a largo plazo ocurre cuando la materia que proviene de los organismos vivos es enterrada profundamente bajo la tierra o cuando se hunde hasta el fondo del océano y forma rocas sedimentarias. La actividad volcánica y, en tiempos más recientes, la quema de combustibles fósiles, devuelven este carbono orgánico al ciclo. Aunque la formación de combustibles fósiles sucede en una escala de tiempo geológico lento, la liberación que hacen los humanos del carbono que contienen, en forma de $\text{CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript, sucede en una escala de tiempo extremadamente rápida.

 

El ciclo biológico del carbono

El carbono entra en todas las redes tróficas, tanto terrestres como acuáticas, a través de los autótrofos, organismos que producen su propio alimento. Casi todos estos autótrofos son fotosintetizadores, como las plantas o las algas. 

 

Los autótrofos capturan el dióxido de carbono del aire o los iones de bicarbonato del agua y lo usan para producir compuestos orgánicos como la glucosa. Los heterótrofos, como los humanos, que se alimentan de otros seres, consumen las moléculas orgánicas y así el carbono orgánico pasa a través de las cadenas y redes tróficas.

 

¿Cómo regresa el carbono a la atmósfera o al océano? Para liberar la energía almacenada en las moléculas que contienen carbono, como los azúcares, los autótrofos y heterótrofos las degradan mediante un proceso llamado respiración celular. En este proceso, el carbono de la molécula se libera en forma de dióxido de carbono. Los descomponedores también liberan compuestos orgánicos y dióxido de carbono cuando degradan organismos muertos y productos de desecho.

 

El carbono circula rápidamente a través de esta ruta biológica, especialmente en los ecosistemas acuáticos. En general, se estima que se mueven entre 1000 y 100 000 millones de toneladas métricas de carbono a través de la ruta biológica cada año. Para que te des una idea, ¡una tonelada métrica es casi el mismo peso que el de un elefante o un coche pequeño!

 

El ciclo geológico del carbono

La ruta geológica del ciclo del carbono es mucho más lenta que la ruta biológica que acabamos de describir. De hecho, el carbono usualmente tarda millones de años en recorrer la ruta geológica. El carbono puede quedar almacenado durante largos periodos de tiempo en la atmósfera, en los cuerpos de agua líquida (océanos en su mayoría) en los sedimentos oceánicos, en el suelo, en las rocas, en los combustibles fósiles y en el interior de la Tierra.

 

El nivel de dióxido de carbono en la atmósfera se ve afectado por la reserva de carbono en los océanos y viceversa. El dióxido de carbono atmosférico se disuelve en agua y reacciona con las moléculas de agua en las siguientes reacciones:

 

 

El carbonato ($\text{CO}_3^{2-}$ que se libera en este proceso se combina con los iones $\text {Ca}^{2+}$para formar carbonato de calcio $\text{CaCO}_3$) un componente clave de las conchas de los organismos marinos$^5$start superscript, 5, end superscript. Cuando los organismos mueren, sus restos se hunden y finalmente se convierten en parte del sedimento del suelo oceánico. A lo largo del tiempo geológico, el sedimento se convierte en piedra caliza, que es la reserva de carbono más grande de la Tierra.

 

En la tierra, el carbono se almacena en el suelo en forma de carbono orgánico proveniente de la descomposición de los organismos o como carbono inorgánico producto de la meteorización de las rocas y los minerales. Más profundo en el subsuelo se encuentran los combustibles fósiles como el petróleo, el carbón y el gas natural, que son los restos de plantas descompuestas bajo condiciones anaeróbicas, sin oxígeno. Los combustibles fósiles tardan millones de años en formarse; cuando los humanos los queman, el carbono es liberado a la atmósfera en forma de dióxido de carbono.

 

Otra forma en la que el carbono entra a la atmósfera es la erupción volcánica. Los sedimentos carbonatados del fondo oceánico se hunden profundamente en la Tierra mediante un proceso llamado subducción, en el que una placa tectónica se mueve por debajo de otra. Este proceso produce dióxido de carbono, el cual puede ser liberado hacia la atmósfera por erupciones volcánicas o respiraderos hidrotermales.

 

El impacto humano sobre el ciclo del carbono

La demanda mundial por las limitadas reservas de combustibles fósiles de la Tierra ha aumentado desde el inicio de la revolución industrial. Los combustibles fósiles se consideran como un recurso no renovable porque se agotan mucho más rápido de lo que los procesos geológicos pueden producirlos.

 

Cuando se queman combustibles fósiles, se libera dióxido de carbono $\text{CO}_2$al aire. El aumento en el uso de los combustibles fósiles ha provocado niveles elevados de $\text{CO}_2$ atmosférico. La deforestación o tala de bosques, también contribuye de manera importante a elevar los niveles de $\text{CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript. Los árboles y otras partes de los ecosistemas boscosos secuestran el carbono y buena parte de ese carbono se libera en forma de $\text{CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript si se tala el bosque$^6$start superscript, 6, end superscri.

 

Parte del $\text{CO}_2$ adicional producido por la actividad humana es absorbido por las plantas o el océano, pero estos procesos no contrarrestan completamente el aumento, por lo que los niveles de ${\text{CO}}_2$ se elevan cada vez más. Los niveles de $\text{CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript suben y bajan cíclicamente de manera natural durante largos periodos de tiempo, pero hoy en día son mucho más altos de lo que han sido en los últimos 400 000 años, como se muestra en la gráfica siguiente:

¿Por qué es importante si hay mucho ${\text{CO}}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript en la atmósfera? El $\text{CO}_2$ es un gas de efecto invernadero. Cuando se encuentra en la atmósfera, atrapa el calor y evita que irradie hacia el espacio. Con base en gran cantidad de pruebas, los científicos piensan que los niveles elevados de ${\text{CO}}_2$ y otros gases de efecto invernadero provocan cambios pronunciados en el clima de la Tierra. Si no se realizan cambios decisivos para reducir sus emisiones, se pronostica que la temperatura de la Tierra aumentará entre 1 y 5$^{\circ}$degreesC para el año 2100$^8$start superscript, 8, end superscript.

 

Del mismo modo, aunque pueda parecer que la absorción que hace el océano del dióxido de carbono excedente es buena para reducir los gases de efecto invernadero, no es en absoluto benéfica para la vida marina. Como vimos anteriormente, el $\text{CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript disuelto en el agua de mar puede reaccionar con las moléculas de agua para liberar iones $\text H^+$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript. Así que, mientras más $\text{CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript se disuelve en el agua, más ácida será el agua. Una mayor acidez en el agua reduce las concentraciones de $\text{CO}_3^{2-}$start text, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, 2, minus, end superscript, lo que les dificulta a los organismos marinos formar y mantener sus conchas de $\text{CaCO}_3$start superscript, 9, end superscript. Tanto el aumento de temperatura como el incremento en la acidez del agua pueden perjudicar a la vida marina y ambos procesos se han relacionado con el blanqueamiento del coral.

El debate acerca de los efectos a futuro del aumento del carbono atmosférico sobre el cambio climático se concentra en los combustibles fósiles. Sin embargo, los científicos también deben tomar en cuenta los procesos naturales, como el vulcanismo, el crecimiento vegetal, los niveles de carbono en el suelo, y la respiración, al modelar y predecir el impacto futuro de dicho incremento.