En biología, el ciclo de los nutrientes es un concepto que describe cómo los nutrientes se mueven del entorno físico a los organismos vivos y, posteriormente, se reciclan de nuevo al entorno físico. Este movimiento circular de nutrientes es esencial para cualquier ecosistema dado, y debe ser equilibrado y estable para que el sistema se mantenga. En muchos casos, las actividades humanas han tenido un impacto importante en estos procesos, resultando en efectos adversos. Hay muchos ciclos de nutrientes diferentes, cada uno con sus propias vías particulares, pero quizás las más importantes son las que involucran a los elementos carbono, oxígeno, nitrógeno y fósforo.
El ciclo del carbono
Este ciclo de nutrientes comienza con la fotosíntesis, el proceso mediante el cual las plantas, las algas y algunas bacterias utilizan la energía de la luz solar para combinar el dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera y el agua para formar azúcares, almidón, grasas, proteínas y otros compuestos que utilizan. para construir células o almacenar como alimento. De esta manera, las plantas eliminan el carbono de la atmósfera y lo almacenan, poniéndolo a disposición de los herbívoros que se alimentan de las plantas. Los herbívoros usan parte del carbono que consumen para construir y reparar células, de modo que se almacene en sus cuerpos. El resto se utiliza para proporcionar energía: se combina con el oxígeno del aire para formar CO2, que luego se exhala, devolviendo el carbono directamente a la atmósfera.
El carbono almacenado en el cuerpo de un herbívoro, como un ciervo, se puede reciclar cuando el animal muere. Alternativamente, el animal puede ser sacrificado y devorado por un carnívoro, como un lobo, en cuyo caso el reciclaje tendrá lugar cuando el carnívoro muera. La materia vegetal y animal muerta es descompuesta por otros organismos, como hongos y bacterias. Este proceso libera carbono, en forma de dióxido de carbono, de vuelta a la atmósfera.
Hay una serie de complicaciones dentro de este proceso general. Por ejemplo, la materia orgánica muerta a veces puede quedar enterrada bajo sedimentos, lo que hace que el carbono no esté disponible para los organismos vivos. Este material enterrado ha formado depósitos de carbón y petróleo, que los humanos ahora explotan como combustibles fósiles. La combustión de estos compuestos forma dióxido de carbono, que se libera a la atmósfera. Existe un amplio consenso entre los científicos de que el aumento de los niveles de CO2 resultante de la quema de combustibles fósiles está cambiando el clima de la Tierra a escala mundial.
El carbono también puede quedar atrapado en las rocas cuando el dióxido de carbono se disuelve en el agua. Algunos tipos de organismos marinos pueden combinar dióxido de carbono disuelto con calcio para formar conchas que consisten en carbonato de calcio. Cuando estos organismos mueren, las conchas se acumulan como sedimento, formando eventualmente roca caliza. En vastas escalas de tiempo, la piedra caliza puede elevarse a la superficie mediante procesos geológicos, donde el agua ácida puede reaccionar con ella para liberar CO2 a la atmósfera.
El ciclo del oxígeno
Este ciclo está estrechamente relacionado con el ciclo del carbono y comienza en el mismo lugar: la fotosíntesis, que libera oxígeno al aire. Este, a su vez, es absorbido por organismos que respiran oxígeno, que lo combinan con carbono y liberan dióxido de carbono a la atmósfera. Luego, el CO2 se usa en la fotosíntesis para liberar oxígeno nuevamente. El dióxido de carbono de otras fuentes, como la descomposición de material orgánico muerto y la quema de combustibles fósiles, también se utiliza en la fotosíntesis, produciendo oxígeno.
El ciclo del nitrógeno
El nitrógeno es un elemento esencial para todas las formas de vida conocidas y es necesario para formar aminoácidos, proteínas y ADN. Aunque el 78% de la atmósfera de la Tierra está formada por este elemento, las plantas no pueden utilizarlo directamente de esta forma. Las moléculas del gas constan de dos átomos unidos por un triple enlace muy fuerte, lo que hace que sea muy difícil que reaccione con otros elementos. Sin embargo, el nitrógeno tiene su propio ciclo de nutrientes.
Hay dos formas principales en las que este elemento puede estar disponible para los organismos vivos. Normalmente, se requiere mucha energía para romper los enlaces entre los átomos en una molécula de nitrógeno. Esta energía puede provenir de un rayo, que hace que algo de nitrógeno se combine con el oxígeno, formando óxidos de nitrógeno. Estos pueden disolverse en el agua de lluvia para formar ácido nítrico muy diluido, que reacciona con los minerales del suelo para formar nitratos. Los nitratos son solubles en agua y pueden ser absorbidos fácilmente por las plantas.
La mayor parte del nitrógeno en los organismos vivos proviene de un proceso conocido como fijación de nitrógeno. Esto implica la conversión del nitrógeno atmosférico en los suelos en amoníaco por varios tipos de bacterias y algunas algas. Uno de esos grupos de bacterias, llamado Rhizobium, forma nódulos en las raíces de guisantes y frijoles. Por este motivo, los agricultores suelen cultivar estas plantas cuando es necesario enriquecer el suelo con este elemento.
El amoníaco generado de esta manera es luego convertido por otros tipos de bacterias en nitratos, que son absorbidos por las plantas. Otro proceso, llamado desnitrificación, devuelve gas nitrógeno a la atmósfera. Nuevamente, esto lo realizan las bacterias, que reducen los nitratos en el suelo a nitrógeno.
Los seres humanos han tenido un impacto significativo en el ciclo del nitrógeno. Dado que los nitratos son muy solubles en agua, la lluvia puede eliminarlos rápidamente del suelo. Cuando los cultivos se cultivan de forma intensiva, los nitratos perdidos a menudo tienen que ser reemplazados por fertilizantes a base de nitratos. Estos compuestos se producen industrialmente mediante procesos que primero combinan nitrógeno atmosférico con hidrógeno para formar amoníaco y luego lo combinan con oxígeno para formar ácido nítrico, que se utiliza para fabricar fertilizantes.
El ciclo del fósforo
Como el nitrógeno, este elemento es una parte esencial del ADN. También es necesario para la producción de trifosfato de adenosina (ATP), un compuesto que las células utilizan para obtener energía. La principal fuente natural de fósforo son las rocas. El elemento ingresa al agua y al suelo en forma de fosfatos a través de la erosión y la intemperie, y es absorbido por las plantas. Luego avanza a través de la cadena alimentaria a través de herbívoros y carnívoros, y regresa al suelo cuando estos organismos mueren.
Los fosfatos pueden ser eliminados del suelo por el agua de lluvia, acumulándose en lagos y ríos, donde algunos de ellos son utilizados por plantas acuáticas y otros organismos. Sin embargo, parte del fosfato sufre reacciones químicas que forman compuestos insolubles que se depositan como sedimentos. Estos eventualmente forman rocas y, de esta manera, el fósforo se puede retener durante períodos muy largos, posiblemente decenas o cientos de millones de años. Eventualmente, los procesos geológicos pueden levantar esta roca, permitiendo que la erosión y la intemperie la devuelvan a los organismos vivos.
En áreas cultivadas, como ocurre con el nitrógeno, el fósforo perdido del suelo a menudo debe ser reemplazado por fertilizantes fosfatados para permitir que la agricultura continúe siendo rentable. Estos fertilizantes están hechos principalmente de rocas fosfatadas como la apatita. El uso de estiércol animal en los campos de cultivo es otro ejemplo de la adición de fósforo al suelo por parte del hombre. En algunos casos, el exceso de fosfato se vierte en ríos y lagos. A partir de aquí, puede depositarse en sedimentos, pero algunos pueden permanecer disueltos, lo que lleva a un crecimiento excesivo de algas.