Biología para las carreras II

El carbono es el segundo elemento más abundante en los organismos vivos. El carbono está presente en todas las moléculas orgánicas, y su papel en la estructura de las macromoléculas es de importancia primordial para los organismos vivos. Los compuestos de carbono contienen una energía especialmente alta, en particular los derivados de organismos fosilizados, principalmente plantas, que los seres humanos utilizan como combustible. Desde la década de 1800, el número de países que utilizan cantidades masivas de combustibles fósiles ha aumentado. Desde el comienzo de la Revolución Industrial, la demanda mundial de los limitados suministros de combustibles fósiles de la Tierra ha aumentado; por lo tanto, la cantidad de dióxido de carbono en nuestra atmósfera ha aumentado. Este aumento del dióxido de carbono se ha asociado con el cambio climático y otras perturbaciones de los ecosistemas de la Tierra y es una preocupación ambiental importante en todo el mundo. Por lo tanto, la «huella de carbono» se basa en la cantidad de dióxido de carbono que se produce y la cantidad de combustibles fósiles que consumen los países.

El ciclo del carbono se estudia más fácilmente como dos subciclos interconectados: uno que se ocupa del intercambio rápido de carbono entre organismos vivos y el otro que se ocupa del ciclo a largo plazo del carbono a través de procesos geológicos. El ciclo completo del carbono se muestra en la Figura 1.

Figura 1. El gas dióxido de carbono existe en la atmósfera y se disuelve en el agua. La fotosíntesis convierte el gas dióxido de carbono en carbono orgánico, y la respiración vuelve a convertir el carbono orgánico en gas dióxido de carbono. El almacenamiento a largo plazo de carbono orgánico ocurre cuando la materia de los organismos vivos se entierra profundamente bajo tierra y se fosiliza. La actividad volcánica y, más recientemente, las emisiones humanas, devuelven este carbono almacenado al ciclo del carbono. (crédito: modificación del trabajo de John M. Evans y Howard Perlman, USGS)

El Ciclo Biológico del Carbono

Los organismos vivos están conectados de muchas maneras, incluso entre ecosistemas. Un buen ejemplo de esta conexión es el intercambio de carbono entre autótrofos y heterótrofos dentro de los ecosistemas y entre ellos a través del dióxido de carbono atmosférico. El dióxido de carbono es el bloque de construcción básico que la mayoría de los autótrofos usan para construir compuestos de alta energía con múltiples carbonos, como la glucosa. La energía aprovechada del sol es utilizada por estos organismos para formar los enlaces covalentes que unen los átomos de carbono. Estos enlaces químicos almacenan esta energía para su uso posterior en el proceso de respiración. La mayoría de los autótrofos terrestres obtienen su dióxido de carbono directamente de la atmósfera, mientras que los autótrofos marinos lo adquieren en forma disuelta (ácido carbónico, H2CO3−). Sin embargo, se adquiere dióxido de carbono, un subproducto del proceso es el oxígeno. Los organismos fotosintéticos son responsables de depositar aproximadamente el 21 por ciento del contenido de oxígeno de la atmósfera que observamos hoy en día.

Los heterótrofos y autótrofos son socios en el intercambio biológico de carbono (especialmente los consumidores primarios, en gran parte herbívoros). Los heterótrofos adquieren los compuestos de carbono de alta energía de los autótrofos consumiéndolos y descomponiéndolos por respiración para obtener energía celular, como ATP. El tipo de respiración más eficiente, la respiración aeróbica, requiere oxígeno obtenido de la atmósfera o disuelto en agua. Por lo tanto, hay un intercambio constante de oxígeno y dióxido de carbono entre los autótrofos (que necesitan el carbono) y los heterótrofos (que necesitan el oxígeno). El intercambio de gases a través de la atmósfera y el agua es una forma en que el ciclo del carbono conecta a todos los organismos vivos de la Tierra.

El Ciclo Biogeoquímico del Carbono

El movimiento del carbono a través de la tierra, el agua y el aire es complejo y, en muchos casos, ocurre mucho más lentamente geológicamente que entre los organismos vivos. El carbono se almacena durante largos períodos en lo que se conoce como depósitos de carbono, que incluyen la atmósfera, los cuerpos de agua líquida (principalmente océanos), los sedimentos oceánicos, el suelo, los sedimentos terrestres (incluidos los combustibles fósiles) y el interior de la Tierra.

Como se ha dicho, la atmósfera es un importante reservorio de carbono en forma de dióxido de carbono y es esencial para el proceso de fotosíntesis. El nivel de dióxido de carbono en la atmósfera está muy influenciado por el depósito de carbono en los océanos. El intercambio de carbono entre la atmósfera y los depósitos de agua influye en la cantidad de carbono que se encuentra en cada lugar, y cada uno afecta al otro recíprocamente. El dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera se disuelve en agua y se combina con moléculas de agua para formar ácido carbónico, y luego se ioniza a iones de carbonato y bicarbonato:

\ begin{array} {rrcl} \ text{Paso 1:}&\text{CO}_2\text{(atmospheric)}&\longleftrightarrow&\text{CO}_2\text{(dissolved)}\\\text{Step 2:}&\text{CO}_2\text{(dissolved)}+\text{H}_2\text{O}&\longleftrightarrow&\text{H}_2\text{CO}_3\text{(carbonic acid)}\\\text{Step 3:}&\text{H}_2\text{CO}_3&\longleftrightarrow&\text{H}^{+}+\text{HCO}^-_3\text{(bicarbonate ion)}\\\text{Step 4:}& \text{HCO}^-_3& \longleftrightarrow& \text{H}^{+}+\text{CO}^{2-}_{3}\text {(ion carbonato)}\end{array}

Los coeficientes de equilibrio son tales que más del 90 por ciento del carbono en el océano se encuentra como iones de bicarbonato. Algunos de estos iones se combinan con el calcio del agua de mar para formar carbonato de calcio (CaCO3), un componente importante de las conchas de los organismos marinos. Estos organismos eventualmente forman sedimentos en el fondo del océano. Con el tiempo geológico, el carbonato de calcio forma piedra caliza, que comprende el depósito de carbono más grande de la Tierra.

En la tierra, el carbono se almacena en el suelo como resultado de la descomposición de organismos vivos (por descomponedores) o de la intemperie de rocas y minerales terrestres. Este carbono puede ser lixiviado a los depósitos de agua por escorrentía superficial. Más profundamente bajo tierra, en tierra y en el mar, hay combustibles fósiles: los restos anaeróbicos de plantas que tardan millones de años en formarse. Los combustibles fósiles se consideran un recurso no renovable porque su uso supera con creces su tasa de formación. Un recurso no renovable, como el combustible fósil, se regenera muy lentamente o no se regenera en absoluto. Otra forma de que el carbono ingrese a la atmósfera es desde la tierra (incluida la tierra debajo de la superficie del océano) por la erupción de volcanes y otros sistemas geotérmicos. Los sedimentos de carbono del fondo oceánico se absorben en lo profundo de la Tierra mediante el proceso de subducción: el movimiento de una placa tectónica debajo de otra. El carbono se libera como dióxido de carbono cuando un volcán entra en erupción o a partir de respiraderos hidrotermales volcánicos.

Los seres humanos contribuyen al carbono atmosférico mediante la quema de combustibles fósiles y otros materiales. Desde la Revolución Industrial, los seres humanos han aumentado significativamente la liberación de carbono y compuestos de carbono, lo que a su vez ha afectado al clima y al medio ambiente en general.

La cría de animales por los seres humanos también aumenta el carbono atmosférico. El gran número de animales terrestres criados para alimentar a la creciente población de la Tierra resulta en un aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera debido a las prácticas agrícolas y la respiración y la producción de metano. Este es otro ejemplo de cómo la actividad humana afecta indirectamente los ciclos biogeoquímicos de manera significativa. Aunque gran parte del debate sobre los efectos futuros del aumento del carbono atmosférico en el cambio climático se centra en los combustibles fósiles, los científicos tienen en cuenta los procesos naturales, como los volcanes y la respiración, a medida que modelan y predicen el impacto futuro de este aumento.

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