7. Ciclo de materia y flujo de energía

Los organismos autótrofos tienen la capacidad de transformar la energía solar en energía química mediante el proceso de la fotosíntesis. A partir de estos productores, el resto de seres vivos del planeta obtienen su energía.

La radiación solar que llega a la superficie terrestre no es transformada en su totalidad hacia energía química acumulada por los productores, de hecho se estima que se fija menos de un 1%. A partir de aquí, esta energía fluye desde productores a consumidores primarios, secundarios, terciaros y descomponedores, pero a diferencia del paso de la materia, en el camino la energía se va disipando como calor y perdiendo por la respiración.

 

La eficiencia ecológica es la cantidad de energía que se transfiere de un nivel trófico al siguiente en relación con la que le llegó a él. También se usa con la cantidad de biomasa transferida. En la mayoría de los ecosistemas se ha estimado que la eficiencia ecológica es de un 10% en cada nivel, si bien es variable en distintos ecosistemas, aunque en general se puede aplicar la llamada regla del 10%.

Este flujo de energía en la cadena trófica se caracteriza por:

• Es unidireccional y abierto, de modo que necesita de un aporte de energía exterior.

• En cada nivel al que ascendemos, hay mayores requerimientos para respiración celular y se produce una disminución de energía disponible por pérdidas de actividad metabólica, sobre todo en animales más complejos.

• Una gran parte de la energía disponible en cada nivel no se utiliza y se acumula como residuos orgánicos o sedimentos marinos.

El flujo de la energía determina los procesos vitales de los organismos, pero además de energía, existen una serie de elementos químicos imprescindibles para que estos procesos puedan ocurrir, se conocen como elementos biolimitantes, y son imprescindibles para la vida.

Estos intercambios de elementos químicos ocurren de forma cíclica en los ecosistemas: los seres vivos los incorporan como nutrientes para posteriormente ser devueltos al medio ya sea como productos de desecho o tras su muerte, por la acción de los descomponedores. Por esta razón se conocen como ciclos biogeoquímicos. Los más importantes son los del carbono, nitrógeno y fósforo.

 

Ciclo del carbono

Se trata del elemento más importante para la química orgánica ya que constituye la cadena en torno a la cual se pueden disponer los demás elementos con una cierta flexibilidad. Se encuentra como elemento fundamenal en todas las moléculas orgánicas.

• Las plantas y el fitoplancton fijan el CO₂ atmosférico mediante la fotosíntesis, convirtiéndolo en biomoléculas orgánicas. Otros organismos marinos también fijan el CO₂ disuelto en el agua, incorporándolo a sus esqueletos y caparazones.

• Su retorno a la atmósfera se realiza mediante la respiración tanto de productores como de consumidores.  

• Otra cantidad de carbono se reincorpora a la atmósfera por las combustiones de combustibles fósiles y la quema de materia orgánica. Estos procesos producidos en su mayor parte por la actividad humana, conducen a un incremento del CO₂ atmosférico (aumentando el calentamiento global).

Ciclo del nitrógeno

A diferencia del oxígeno, el nitrógeno es un elemento muy poco reactivo, y aunque está en altísimas concentraciones en la atmósfera como N₂, tiene dificultades para ser utilizado por la mayoría de los seres vivos, que sólo pueden incorporarlo en forma de nitrato (NO₃). Sin embargo, aunque en pequeña cantidad, el nitrógeno es un bioelemento fundamental ya que forma parte de las proteínas y los ácidos nucleicos entre otras moléculas.

• Existen unos cuantos organismos que son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico, algunos hongos y algunas bacterias fijadoras,  que lo liberan al suelo en forma de amoniaco (NH₃). Entre estas bacterias se encuentra el género Rhizobium que vive en simbiosis con las leguminosas aportándoles directamente el nitrógeno que necesitan. 

• Posteriormente, bacterias nitrificantes del suelo (Nitrosomas y Nitrobacter) transforman este amoniaco en nitrito y más tarde en nitrato en un proceso llamado nitrificación.

• Una vez incorporado el nitrato en los seres productores, pasa a formar parte de la materia orgánica que circula por la cadena trófica. No obstante, el exceso de nitrógeno resulta tóxico para los tejidos y es eliminado como producto de desecho, como la urea y el ácido úrico.

• Tras pasar por la cadena trófica, los descomponedores vuelven a dejar el nitrógeno en forma de amoniaco inorgánico (NH₃) que puede volver a ser objeto de nitrificación.

• Para su regreso a la atmósfera como N₂, otras bacterias como Pseudomonas y hongos desnitrificantes llevan a cabo la desnitrificación o conversión de NO₃ a N₂, en condiciones anaerobias (bacterias desnitrificantes).

 

A diferencia del ciclo del carbono o del nitrógeno los procesos cíclicos del fósforo ocurren exclusivamente en la litosfera, no en la atmósfera.

El fósforo es un nutriente de gran valor ecológico, ya que los procesos sedimentarios son muy lentos, y los seres vivos lo utilizan activamente, llegando fácilmente a ser limitante para el crecimiento de una población.

Se trata de uno de los componentes esenciales de ácidos nucleicos y de las membranas celulares y, además, es usado para la transferencia de energía a nivel molecular. Otros organismos lo usan para formar sus caparazones y esqueletos.

Importante como nutriente, los productores lo incorporan como fosfato inorgánico que está disuelto en el suelo por la meteorización que sufren las rocas fosfatadas. Los productores lo incluyen en las moléculas orgánicas y pasa por la cadena trófica. Tras pasar por ella, los descomponedores lo mineralizan en fosfato inorgánico de nuevo que puede ser asimilado por los productores o acumulado en los sedimentos, cerrando así de nuevo el ciclo.