El ciclo del carbono

El ciclo del carbono. Es el ciclo biogeoquímico por el cual el carbono se intercambia entre la biosfera, pedosfera, geosfera, hidrosfera y la atmósfera de la Tierra.

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 —— 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 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 atmosférico y afectan el clima y los océanos de la tierra.

El carbono: elemento constitutivo y fuente de energía

Alrededor del 18% de tu cuerpo, en masa, está compuesto por átomos de carbono, ¡y esos átomos son fundamentales para tu existencia!¹

^{^{Sin el carbono, no tendrías las membranas plasmáticas de tus células, ni las moléculas de azúcar que usas como combustible, ni siquiera el $N$ A, D, N 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 —— en el aire, lo que resulta en niveles cada vez mayores de atmosférico. Este aumento en los niveles de 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 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 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 —— gaseoso, el cual se disuelve en el agua y reacciona con las moléculas de esta para producir bicarbonato: H, C, O, . 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 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, que se alimentan de otros seres, como los humanos, 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 1,000 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!start superscript, 2, comma, 3, comma, 4, end superscript.

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:

\text{CO}_2 + \text H_2\text O \:\:\rightleftharpoons \:\: \text H_2\text{CO}_3 \:\:\rightleftharpoons \:\:\text{HCO}_3^- +\text H^+ \:\: \rightleftharpoons \:\:\text{CO}_3^{2-} + 2 \text H^+

El carbonato —C, O, start subscript, 3, end subscript, start superscript, 2, minus, end superscript— que se libera en este proceso se combina con los iones C, a, start superscript, 2, plus, end superscript para formar carbonato de calcio —C, a, C, O, start subscript, 3, end subscript— un componente clave de las conchas de los organismos marinosstart 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 —C, O, start subscript, 2, end subscript— al aire. El aumento en el uso de los combustibles fósiles ha provocado niveles elevados de C, O, start subscript, 2, end subscript atmosférico. La deforestación, la tala de bosques, también contribuye de manera importante a elevar los niveles de C, O, 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 C, O, start subscript, 2, end subscript al talar el bosquestart superscript, 6, end superscript.

Parte del C, O, start subscript, 2, end subscript 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 C, O, start subscript, 2, end subscript se elevan cada vez más. Los niveles de C, O, 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 oscilan los niveles de dióxido de carbono hacia arriba y hacia abajo con los años?]

C, O, start subscript, 2, end subscriptC, O, start subscript, 2, end subscriptC, O, start subscript, 2, end subscriptC, O, start subscript, 2, end subscriptstart superscript, 7, end superscript

C, O, start subscript, 2, end subscript

¿Por qué es importante si hay mucho C, O, start subscript, 2, end subscript en la atmósfera? El C, O, start subscript, 2, end subscript es un gas de efecto invernadero. Cuando se encuentra en la atmósfera, atrapa el calor y evita que irradie hacia el espacio. Basados en gran cantidad de pruebas, los científicos piensan que los niveles elevados de C, O, start subscript, 2, end subscript y otros gases de efecto invernadero provocan cambios pronunciados en el clima de la Tierra. Si no se realizan cambios decisivos en la reducción de emisiones, se pronostica que la temperatura de la Tierra aumentará entre 1 y 5degreeC para el año 2100start 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 C, O, start subscript, 2, end subscript disuelto en el agua de mar puede reaccionar con las moléculas de agua para liberar iones H, start superscript, plus, end superscript. Así que, mientras más C, O, 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 C, O, 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 C, a, C, O, start subscript, 3, end subscriptstart 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 deben tomar en cuenta los procesos naturales, como el vulcanismo, el crecimiento vegetal, los niveles de carbono en el suelo y la respiración, en el modelado y la predicción del impacto futuro de dicho incremento.