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Lección 4 de 12
En Progreso

Dinámica del ambiente

Ahora que ya tenemos el concepto de ambiente y otros de relevancia, a continuación, se explican de manera precisa sucinta cómo es su dinámica, siendo la base de la vida y de toda actividad humana: movimientos de masas de aire en la atmósfera, ciclos biogeoquímicos, ciclo del agua, dinámica de las comunidades bióticas y flujo de la energía.

Movimientos de la atmósfera

Existe un patrón constante que describe cómo el aire se mueve alrededor de la atmósfera de nuestro planeta. Este patrón, llamado circulación atmosférica, se ve afectado por la rotación de la Tierra y por el hecho de que el Sol calienta más a la Tierra en el ecuador que en los polos.

En los trópicos, cerca del ecuador, el aire caliente se eleva. Cuando llega a unos 10-15 km de altitud, comienza a fluir lejos del ecuador y hacia los polos. El aire que se eleva justo al norte del ecuador fluye hacia el norte. El aire que se eleva justo al sur del ecuador fluye hacia el sur. Cuando el aire se enfría, vuelve a descender, fluye hacia el ecuador y vuelve a calentarse. En este punto, el aire caliente se eleva nuevamente y se repite el mismo patrón, conocido como convección.

Sin embargo, debido a que la Tierra rota, el aire que se mueve hacia el norte y hacia el sur desde el ecuador también gira con la rotación de la Tierra. El aire que va hacia el norte, gira a la derecha y el aire que viaja hacia el sur, gira a la izquierda. El poder de giro de la Tierra que hace que el aire fluya de esta manera se conoce como el Efecto Coriolis. Si la Tierra no girara, habría una sola célula grande de convección entre el ecuador y el Polo Norte, así como una gran célula de convección entre el ecuador y el Polo Sur.

Fig. 10 Dinámica del aire en la tropósfera

Fuente de la imagen: https://www.asturbulla.org/index.php/temas/ciencia-tecnologia/36879-energia-eolica-lider-de-las-tecnologias-renovables-modernas

Dinámica de la hidrosfera (Ciclo del agua)

El agua en la Tierra se mueve constantemente. El viento y las mareas crean corrientes oceánicas, mientras la gravedad hace que las aguas de los ríos se muevan cuesta abajo.

El agua también se mueve hacia y desde la atmósfera y la superficie de la Tierra. A medida que se mueve de un lugar a otro, su estado, ya sea sólido, líquido o gaseoso, puede cambiar. Este movimiento continuo del agua se conoce como ciclo hidrológico o ciclo del agua. Ver Fig. 11.

La precipitación ocurre cuando el agua de las nubes cae a la tierra en forma de lluvia, nieve o granizo. Parte de esta agua cae en los océanos y lagos, donde se almacena. Si la precipitación cae sobre la tierra, el agua fluirá cuesta abajo a través de los riachuelos; esto se conoce como escorrentía. A medida que el agua continúa fluyendo, los riachuelos crecen y se combinan hasta formar una corriente o un río. En ocasiones, el agua que cae en el suelo fluye a través de las rocas y los suelos porosos, concentrándose debajo de la superficie. Esto se denomina infiltración.

El agua también se mueve desde la superficie hacia el aire a través de la evaporación, proceso mediante el cual el agua líquida de las superficies oceánicas, mares, lagos, ríos, arroyos y charcos se convierte en vapor.

Fig. 11 Esquema sencillo del Ciclo del Agua

Las plantas ayudan a enviar otra parte del agua hacia el aire, en un proceso llamado transpiración. Las raíces en el suelo atraen agua hacia la planta, esta se mueve hacia arriba a través del tallo por medio de la acción capilar, luego la planta la usa para sus procesos metabólicos y finalmente libera parte de ella en forma de vapor a través de las hojas.

Juntas, la evaporación y la transpiración se conocen como evapotranspiración. Alrededor del 90% de la evapotranspiración representa la evaporación, mientras que solo un 10% representa la transpiración.

Usualmente el hielo se derrite antes de escurrirse sobre la superficie, debajo del suelo o antes evaporarse en el aire. Sin embargo, a veces el hielo se convierte en vapor de agua antes de derretirse: sublimación. Para que el agua se sublimice debe haber condiciones atmosféricas especiales: si la presión del aire y la humedad son muy bajas, y la energía del Sol es muy alta. Por ejemplo, el hielo en las Montañas Rocosas suele experimentar la sublimación debido a la presencia de sol, calor, sequedad y una baja presión del aire.

Ciclos Biogeoquímicos

La energía fluye direccionalmente a través de todos los ecosistemas de la Tierra, entrando habitualmente en forma de luz solar y saliendo en forma de calor. No obstante, los componentes químicos que son parte de  los seres vivos se reciclan. Así, por ejemplo, los átomos del cuerpo de cualquier persona llevan mucho reciclándose a través de la biosfera y, durante el trayecto, han formado parte de multitud de organismos y compuestos no vivos. Tras su muerte, cualquier organismo vivo se descompone y, a través de un proceso químico, los elementos resultantes de tal descomposición se depositan en la biosfera, reciclándose para ser usados con posterioridad por otro organismo vivo.

La conexión y los movimientos existentes entre los elementos vivos y los no vivos es lo que se conoce como un ciclo biogeoquímico. El término biogeoquímico deriva del griego bio–vida, geo–tierra y química,​ se refiere al movimiento de los elementos de nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, calcio, sodio, azufre, fósforo, potasio, carbono y otros elementos entre los seres vivos y el ambiente, mediante una serie de procesos, principalmente producción y descomposición. En la biosfera, la materia es limitada, de manera que su reciclaje es un punto clave en el mantenimiento de la vida en la Tierra; de otro modo, los nutrientes se agotarían y la vida desaparecería. Los nutrientes no son más que elementos químicos necesarios para la vida. En general los organismos vivos necesitan de 31 a 40 nutrientes, donde el número y tipos varían en cada especie. Los elementos asignados por los organismos en grandes cantidades se denominan:

  • Macronutrientes: carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, fósforo, azufre, calcio, magnesio y potasio.
  • Son los 132 o más elementos requeridos en cantidades pequeñas (hasta trazas): hierro, cobre, zinc, cloro, yodo.

Gracias a los ciclos biogeoquímicos, los elementos se encuentran disponibles para ser usados una y otra vez por otros organismos; sin estos ciclos los seres vivos se extinguirían, punto en el cual reside su gran importancia. Se considera que los principales ciclos biogeoquímicos son siete: hidrológico, del nitrógeno, del carbono, del azufre, del oxígeno, del fósforo y del calcio. Si los clasificamos podemos afirmar que existen tres (3) tipos de ciclos: Los sedimentarios, los gaseosos y los mixtos. En los sedimentarios los nutrientes circulan principalmente en la corteza terrestre (suelo, rocas, sedimentos), la hidrosfera y los organismos vivos. Los elementos en estos ciclos son generalmente reciclados mucho más lentamente que en el ciclo gaseoso, además el elemento se transforma de modo químico y con aportación biológica en un mismo lugar geográfico. Los elementos son retenidos en las rocas sedimentarias durante largo periodo de tiempo con frecuencias de miles a millones de años. Ejemplos de este tipo de ciclos son el Fósforo y el Azufre. En el caso de los ciclos Gaseosos, los nutrientes circulan principalmente entre la atmósfera y los organismos vivos. En la mayoría de estos ciclos los elementos son reciclados rápidamente, con frecuencia de horas o días. Este tipo de ciclo se refiere a que la transformación de la sustancia involucrada cambia de ubicación geográfica y que se fija a partir de una materia prima gaseosa. Ejemplos de ciclos gaseosos son el Carbono, el Nitrógeno y Oxígeno.

El Ciclo del Carbono es el movimiento entre el ambiente abiótico y los organismos. El carbono es parte fundamental y soporte de los organismos vivos, porque proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos, lípidos y otras moléculas esenciales para la vida contienen carbono. Se encuentra como dióxido de carbono en la atmósfera, en los océanos y en los combustibles fósiles almacenados bajo la superficie de la Tierra.

El ciclo básico comienza cuando las plantas, a través de la fotosíntesis, hacen uso del dióxido de carbono (CO2) presente en la atmósfera o disuelto en el agua. El carbono pasa a formar parte de los tejidos vegetales en forma de hidratos de carbono, grasas y proteínas, y el oxígeno es devuelto a la atmósfera o al agua mediante la respiración. Así, el carbono pasa a los herbívoros que comen las plantas y de ese modo utilizan, reorganizan y degradan los compuestos de carbono. Gran parte de éste carbono es liberado en forma de CO2 por la respiración, o como producto secundario del metabolismo, pero parte se almacena en los tejidos animales y pasa a los carnívoros, que se alimentan de los herbívoros. En última instancia, todos los compuestos del carbono se degradan por descomposición, y el carbono que es liberado en forma de CO2, es utilizado de nuevo por las plantas.

Fig. 12 Esquema sencillo del Ciclo del Carbono

En resumen, los pasos más importantes del Ciclo del Carbono son los siguientes:

  • El dióxido de carbono de la atmósfera es absorbido por las plantas y convertido en azúcar, por el proceso de fotosíntesis.
  • Los animales comen plantas y al descomponer los azúcares dejan salir carbono a la atmósfera, los océanos o el suelo.
  • Bacterias y hongos descomponen las plantas muertas y la materia animal, devolviendo carbono al ambiente.
  • El carbono también se intercambia entre los océanos y la atmósfera. Esto sucede en ambos sentidos en la interacción entre el aire y el agua.

En algunos casos el carbono presente en las moléculas biológicas no regresa inmediatamente al ambiente abiótico, por ejemplo, el carbono presente en la madera, o el que formó parte de los depósitos a partir de fósiles que quedaron sepultados en condiciones anaerobias antes de descomponerse (carbón, petróleo y gas natural).

El caso del Ciclo del Nitrógeno es el proceso a través del cual circula nitrógeno a través del mundo orgánico y el mundo físico. Ver Fig. 13. La atmósfera es el principal reservorio de nitrógeno, donde constituye hasta un 78% de los gases. Sin embargo, como la mayoría de los seres vivos no pueden utilizar el nitrógeno atmosférico para elaborar aminoácidos y otros compuestos nitrogenados, dependen del nitrógeno presente en los minerales del suelo. Por lo tanto, a pesar de la gran cantidad de nitrógeno en la atmósfera, la escasez de nitrógeno en el suelo constituye un factor limitante para el crecimiento de los vegetales. Este ciclo consta de las siguientes etapas:

  1. Fijación del nitrógeno: consiste e la conversión del nitrógeno gaseoso (N2) en amoníaco (NH3), forma utilizable para los organismos. En esta etapa intervienen bacterias (que actúan en ausencia de oxígeno), presentes en el suelo y en ambientes acuáticos, que emplean la enzima nitrogenasa para romper el nitrógeno molecular y combinarlo con hidrógeno.

N2 ——————–> NH3
nitrogenasa

  1. Nitrificación: proceso de oxidación del amoníaco o ion amonio, realizado por bacterias comunes del suelo. Este proceso ocurre en dos etapas:      
  • Un grupo de bacterias, oxidan el amoníaco a nitrito (NO2):

2 NH +  3 O2   g    2 NO2   +  2 H+  + 2 H2O

  • Otro grupo de bacterias, transforman el nitrito en nitrato, por este motivo no se encuentra nitrito en el suelo, que además es tóxico para las plantas. 

2 NO2 –  +  O g 2 NO3

  1. Asimilación: las raíces de las plantas absorben el amoníaco (NH3) o el nitrato (NO3 ), e incorporan el nitrógeno en proteínas, ácidos nucleicos y clorofila. Cuando los animales se alimentan de vegetales consumen compuestos nitrogenados vegetales y los transforman en compuestos nitrogenados animales.
Fig. 13 Esquema sencillo del Ciclo de Nitrógeno
  1. Amonificación: consiste en la conversión de compuestos nitrogenados orgánicos en amoníaco, se inicia cuando los organismos producen desechos como urea (orina) y ácido úrico (excreta de las aves), sustancias que son degradadas para liberar como amoníaco el nitrógeno en el ambiente abiótico. El amoníaco queda disponible para los procesos de nitrificación y asimilación. El nitrógeno presente en el suelo es el resultado de la descomposición de materiales orgánicos y se encuentra en forma de compuestos orgánicos complejos, que son degradados a compuestos simples por microorganismos –bacterias y hongos–que se encuentran en el suelo.
  2. Desnitrificación: es el proceso que realizan algunas bacterias ante la ausencia de oxígeno, degradan nitratos (NO3 ) liberando nitrógeno (N2) a la atmósfera a fin de utilizar el oxígeno para su propia respiración.  Ocurre en suelos mal drenados. A pesar de las pérdidas de nitrógeno, el ciclo se mantiene gracias a la actividad de las bacterias fijadoras de nitrógeno, capaces de incorporar el nitrógeno gaseoso del aire a compuestos orgánicos nitrogenados.

El Ciclo del Oxígeno es la cadena de reacciones y procesos que describen la circulación del oxígeno en la biosfera; consiste en el paso del oxígeno en diversas formas a través de la atmósfera (aire), corteza terrestre y la biosfera. El oxígeno molecular presente en la atmósfera y el disuelto en el agua interviene en muchas reacciones de los seres vivos. Al igual que el ciclo del carbono y el ciclo del nitrógeno, es un ciclo gaseoso; esto significa que el oxígeno está depositado principalmente en la atmósfera y no en la corteza terrestre, y es utilizado directamente desde ella, sin estar combinado con algún otro elemento. El oxígeno constituye alrededor del 20% de la atmósfera de la Tierra y las plantas son las únicas capaces de producirla, como producto de su proceso de fotosíntesis. En la biosfera, la capa en donde habitan los seres vivos en el planeta, las aguas son las principales generadoras de oxígeno, pues las algas reemplazan un 90% de todo el oxígeno, las plantas terrestres hacen el resto. Ver Fig. 13. En resumen,

  • Las plantas producen oxígeno durante la fotosíntesis, que se libera al aire.
  • Los animales, los seres humanos y demás seres vivos autótrofos y heterótrofos que respiran, obtienen oxígeno y este pasa a su cuerpo donde es llevado a las células y tejidos para que estos puedan funcionar.
  • Una vez que ha sido utilizado, regresa al aire como desecho de la respiración en forma de dióxido de carbono (CO2).
  • Las algas en los océanos y las plantas verdes absorben el dióxido de carbono y lo usan durante la fotosíntesis para sintetizar proteínas y conseguir la glucosa que necesitan para vivir.
  • De nuevo, como resultado de la fotosíntesis las plantas liberan el oxígeno al aire. Así se completa el ciclo.
Fig. 14 Esquema sencillo del Ciclo de Oxígeno

Ciclo del azufre. Uno de los ciclos químicos más complejos de la naturaleza que tiene que ver con el hecho de que el azufre se puede encontrar en la misma en sus diversas formas, como por ejemplo el sulfato. Cuando el componte químico se combina con el oxígeno, este elemento experimenta diferentes grados de oxidación.

Ciclo del fósforo. En consonancia con  la capacidad de este mineral de pasar a través del agua, del suelo y de los organismos (hidrosfera, biosfera y litosfera respectivamente), una y otra vez, siendo esencial para la vida. Dado que su principal depósito son las rocas sedimentarias, en vez de la atmósfera, es un elemento sedimentario. Ello motiva que la corteza de la Tierra sea su reserva más significativa y que mayoritariamente se encuentre en las rocas.

Ciclo del calcio. Constituye el recorrido, de forma circular, que el calcio hace entre los seres vivos y el entorno en el que se desenvuelven. Este elemento se recicla constantemente y se encuentra en el medio interno de los organismos como ion calcio (Ca2+) e incluso formando parte de otras moléculas. En determinados seres vivos se halla precipitado en forma de esqueleto interno (como ocurre en los huesos de los vertebrados) o externo (como ocurre en los huesos de los moluscos).

Flujo de Energía en los Ecosistemas

A diferencia de los flujos materiales en los que un mismo elemento puede ser usado varias veces circulando entre los componentes biótico y abiótico del ecosistema, la energía se va disipando en las transferencias, fluyendo a través del ecosistema. De la cantidad total de energía solar que llega a la Tierra sólo un 1% se fija mediante la fotosíntesis, transformándose en energía química, disponible para los herbívoros. En los niveles heterótrofos, la eficacia en energía transferida es entre un 10 y un 20%. Este porcentaje es mayor en los niveles de carnívoros debido a la elevada cualidad nutritiva de la carne. Al pasar de un nivel trófico al siguiente se aprovecha una fracción, sin embargo, hay una serie de pérdidas energéticas por respiración y emanación de calor, que se disipa y sale del ecosistema sin poder volver a ser utilizada de nuevo como fuente energética. En la gráfica siguiente se muestra las proporciones aproximadas de este flujo.

Fig. 15 Esquema sencillo del Flujo de Energía en los Ecosistemas

Flujo de Energía en la Atmosfera

La principal fuente de energía de la tierra procede del sol, en forma de radiación electromagnética, es una mezcla de radiaciones de longitudes de onda entre 100 y 4.000 nm (radiación ultravioleta, luz visible y radiación infrarroja). El flujo de energía solar que llega al exterior de la atmósfera es una cantidad fija, llamada constante solar: 1,4 x 103 W/m2, lo que significa que a 1 m2 situado en la parte externa de la atmósfera, perpendicular a la línea que une la Tierra al Sol, esa cantidad de energía cada segundo.

La atmósfera absorbe parte de la radiación solar. En unas condiciones óptimas con un día perfectamente claro y con los rayos del sol cayendo casi perpendiculares, como mucho las tres cuartas partes de la energía que llega del exterior alcanza la superficie. Casi toda la radiación ultravioleta y gran parte de la infrarroja son absorbidas por el ozono y otros gases en la parte alta de la atmósfera. El vapor de agua y otros componentes atmosféricos absorben en mayor o menor medida la luz visible e infrarroja. La energía que llega al nivel del mar suele ser radiación infrarroja un aproximado de 49%, luz visible un 42% y radiación ultravioleta un 9%. Se puede ver gráficamente en la Fig. 16.

Así mismo, estos gases producen un efecto invernadero, en la cual la radiación solar que ha penetrado en un determinado espacio no puede escapar y al quedar atrapada calienta ese espacio, elevando así la temperatura del planeta.

El efecto invernadero es un fenómeno natural, gracias al cual la temperatura del planeta es compatible con la vida, siendo la media de la superficie de la Tierra de 15ºC. Sin este efecto la temperatura sería de –18°C, lo que haría inviable el desarrollo de la vida, por ello, este fenómeno es imprescindible para mantener las condiciones actuales de vida.

Fig. 16 Esquema sencillo de flujo de energía en la atmósfera

La vegetación absorbe en todo el espectro, pero especialmente en la zona del visible. Parte de la energía absorbida por la vegetación es la que se emplea para hacer la fotosíntesis.

El ciclo Geológico

Es el conjunto de fenómenos que afectan a la corteza y manto superficial, en un proceso continuo de transformación que se inició hace miles de millones de años. Este ciclo consta de tres etapas: la gliptogénesis (destrucción y erosión del relieve), la litogénesis (formación de nuevas rocas) y la orogénesis (formación de relieve por acción de agentes geológicos internos). Se produce gracias a la acción combinada de dos fuerzas opuestas que actúan sobre la corteza terrestre. Por un lado, la energía geotérmica, de origen interno, y la fuerza de la dinámica externa, debida principalmente a la acción del sol.

El origen de la energía geotérmica es la propia Tierra y es la responsable de la formación de las montañas, y tiene violentas manifestaciones, como los terremotos o los volcanes. Estas acciones tienden a construir nuevos relieves en la corteza terrestre.

Las fuerzas de la dinámica externa provienen del exterior de la corteza terrestre. Su origen son procesos como los cambios de temperatura, la lluvia, el viento, los ríos, los torrentes, el mar o los glaciares. El ciclo geológico interno suele destruir el relieve de la corteza terrestre mediante diversos procesos: la meteorización, la erosión, el transporte o la sedimentación.