Os 8 ciclos biogeoquímicos mais importantes (descrição) - Ciência - 2023

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Os 8 ciclos biogeoquímicos mais importantes (descrição) - Ciência
Os 8 ciclos biogeoquímicos mais importantes (descrição) - Ciência

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o ciclos biogeoquímicos Eles entendem a trajetória que seguem os diferentes nutrientes ou elementos que fazem parte dos seres orgânicos. Esse trânsito ocorre dentro das comunidades biológicas, tanto nas entidades bióticas quanto nas abióticas que o compõem.

Os nutrientes são os blocos de construção que compõem as macromoléculas e são classificados de acordo com a quantidade de que o ser vivo necessita em macronutrientes e micronutrientes.

A vida no planeta Terra remonta a cerca de 3 bilhões de anos, onde o mesmo reservatório de nutrientes foi reciclado continuamente. A reserva de nutrientes está localizada nos componentes abióticos do ecossistema, como a atmosfera, as pedras, os combustíveis fósseis, os oceanos, entre outros. Os ciclos descrevem os caminhos dos nutrientes desses reservatórios, através dos seres vivos e de volta aos reservatórios.


A influência do homem não passou despercebida no trânsito de nutrientes, uma vez que as atividades antrópicas - principalmente a industrialização e as lavouras - alteraram as concentrações e, portanto, o equilíbrio dos ciclos. Esses distúrbios têm consequências ecológicas importantes.

A seguir descreveremos a passagem e reciclagem dos micro e macronutrientes mais destacados do planeta, a saber: água, carbono, oxigênio, fósforo, enxofre, nitrogênio, cálcio, sódio, potássio, enxofre.

O que é um ciclo biogeoquímico?

Fluxo de energia e nutrientes

A tabela periódica é composta por 111 elementos, dos quais apenas 20 são essenciais à vida e, devido ao seu papel biológico, são chamados de elementos biogenéticos. Dessa forma, os organismos requerem esses elementos e também energia para se sustentar.

Existe um fluxo desses dois componentes (nutrientes e energia) que é transferido gradualmente por todos os níveis da cadeia alimentar.


No entanto, há uma diferença crucial entre os dois fluxos: a energia flui apenas em uma direção e entra no ecossistema de forma inesgotável; enquanto os nutrientes estão em quantidades limitadas e se movem ciclos - que além de organismos vivos envolvem fontes abióticas. Esses ciclos são os biogeoquímicos.

Esquema geral de um ciclo biogeoquímico

O fim biogeoquímico é formado pela união das raízes gregas bio o que significa vida e geo o que significa terra. Por isso, os ciclos biogeoquímicos descrevem as trajetórias desses elementos que fazem parte da vida, entre os componentes bióticos e abióticos dos ecossistemas.

Como esses ciclos são extremamente complexos, os biólogos costumam descrever suas etapas mais importantes, que podem ser resumidas como: a localização ou reservatório do elemento em questão, sua entrada nos organismos vivos - geralmente os produtores primários, seguida de sua continuidade ao longo da cadeia trófico, e finalmente a reintegração do elemento no reservatório graças aos organismos em decomposição.


Este esquema será utilizado para descrever a rota de cada elemento para cada etapa mencionada. Na natureza, essas etapas requerem modificações pertinentes dependendo de cada elemento e da estrutura trófica do sistema.

Os microrganismos desempenham um papel vital

É importante destacar o papel dos microrganismos nesses processos, pois, graças às reações de redução e oxidação, eles permitem que os nutrientes voltem a entrar nos ciclos.

Estudo e aplicações

Estudar um ciclo é um desafio para os ecologistas. Embora seja um ecossistema cujo perímetro é delimitado (como um lago, por exemplo) existe um fluxo constante de trocas de materiais com o ambiente que os cerca.Ou seja, além de complexos, esses ciclos estão interligados.

Uma metodologia usada é a marcação com isótopos radioativos e rastreamento do elemento pelos componentes abióticos e bióticos do sistema de estudo.

Estudar como funciona a reciclagem de nutrientes e em que estado se encontra é um marcador de relevância ecológica, que nos informa sobre a produtividade do sistema.

Classificações de ciclos biogeoquímicos

Não existe uma maneira única de classificar os ciclos biogeoquímicos. Cada autor sugere uma classificação adequada seguindo diferentes critérios. A seguir apresentaremos três dos classificados utilizados:

Micro e macronutriente

O ciclo pode ser classificado de acordo com o elemento que é mobilizado. Os macronutrientes são elementos utilizados em quantidades apreciáveis ​​pelos seres orgânicos, a saber: carbono, nitrogênio, oxigênio, fósforo, enxofre e água.

Outros elementos são necessários apenas em pequenas quantidades, como fósforo, enxofre, potássio, entre outros. Além disso, os micronutrientes são caracterizados por terem uma mobilidade bastante baixa nos sistemas.

Embora esses elementos sejam usados ​​em pequenas quantidades, eles ainda são vitais para os organismos. Se algum nutriente estiver faltando, isso limitará o crescimento dos seres vivos que habitam o ecossistema em questão. Portanto, os componentes biológicos do habitat são um bom marcador para determinar a eficiência do movimento dos elementos.

Sedimentar e atmosférica

Nem todos os nutrientes estão na mesma quantidade ou estão prontamente disponíveis para os organismos. E isso depende - principalmente - de qual é a sua fonte ou reservatório abiótico.

Alguns autores os classificam em duas categorias, dependendo da capacidade de movimento do elemento e do reservatório em: ciclos sedimentares e atmosféricos.

No primeiro, o elemento não consegue subir para a atmosfera e se acumula no solo (fósforo, cálcio, potássio); enquanto o último compreende os ciclos de gás (carbono, nitrogênio, etc.)

Nos ciclos atmosféricos, os elementos estão alojados na camada inferior da troposfera e estão disponíveis para os indivíduos que compõem a biosfera. No caso dos ciclos sedimentares, a liberação do elemento de seu reservatório requer a ação de fatores ambientais, como radiação solar, ação das raízes das plantas, chuva, entre outros.

Em casos específicos, um único ecossistema pode não ter todos os elementos necessários para que o ciclo completo ocorra. Nesses casos, outro ecossistema vizinho pode ser o provedor do elemento ausente, conectando assim várias regiões.

Local e global

Uma terceira classificação usada é a escala em que o sítio é estudado, que pode ser em um habitat local ou global.

Essa classificação está intimamente relacionada à anterior, uma vez que elementos com reservas atmosféricas têm ampla distribuição e podem ser entendidos globalmente, enquanto elementos são reservas sedimentares e possuem capacidade limitada de movimento.

Ciclo de água

Papel da água

A água é um componente vital para a vida na Terra. Os seres orgânicos são compostos por grandes proporções de água.

Esta substância é particularmente estável, o que permite manter uma temperatura adequada no interior dos organismos. Além disso, é o ambiente onde ocorrem as imensas reações químicas dentro dos organismos.

Por último, é um solvente quase universal (as moléculas apolares não se dissolvem na água), que permite formar infinidades de soluções com solventes polares.

Reservatório

Logicamente, o maior reservatório de água da Terra são os oceanos, onde encontramos quase 97% do planeta total e cobrem mais de três quartos do planeta em que vivemos. A porcentagem restante é representada por rios, lagos e gelo.

Motores do ciclo hidrológico

É uma série de forças físicas que impulsionam o movimento do líquido vital no planeta e permitem que ele realize o ciclo hidrológico. Essas forças incluem: a energia solar, que permite a passagem da água do estado líquido para o gasoso, e a gravidade que força as moléculas de água a retornar à terra na forma de chuva, neve ou orvalho.

Descreveremos com mais detalhes cada uma das etapas mencionadas abaixo:

(i) Evaporação: a mudança de estado da água é impulsionada pela energia do sol e ocorre principalmente no oceano.

(ii) Precipitação: A água retorna aos reservatórios graças à precipitação em diferentes formas (neve, chuva, etc.) e tomando diferentes rotas, seja para os oceanos, lagos, o solo, depósitos subterrâneos, entre outros.

Na componente oceânica do ciclo, o processo de evaporação supera a precipitação, o que resulta em um ganho líquido de água que vai para a atmosfera. O fechamento do ciclo ocorre com a movimentação da água pelas vias subterrâneas.

Incorporação de água em seres vivos

Uma porcentagem significativa do corpo dos seres vivos é composta de água. Em nós humanos, esse valor gira em torno de 70%. Por esse motivo, parte do ciclo da água ocorre dentro dos organismos.

As plantas usam suas raízes para obter água por absorção, enquanto organismos heterotróficos e ativos podem consumi-la diretamente do ecossistema ou nos alimentos.

Ao contrário do ciclo da água, o ciclo dos outros nutrientes inclui modificações importantes nas moléculas ao longo de suas trajetórias, enquanto a água permanece praticamente inalterada (apenas ocorrem mudanças no estado).

Mudanças no ciclo da água graças à presença humana

A água é um dos recursos mais valiosos para as populações humanas. Hoje, a escassez de fluido vital cresce exponencialmente e representa um problema de preocupação global. Embora exista uma grande quantidade de água, apenas uma pequena porção corresponde à água doce.

Uma das desvantagens é a redução da disponibilidade de água para irrigação. A presença de superfícies asfálticas e de concreto reduz a superfície que a água pode penetrar.

Os extensos campos de cultivo também representam uma diminuição no sistema radicular que mantém uma quantidade adequada de água. Além disso, os sistemas de irrigação removem enormes quantidades de água.

Por outro lado, o tratamento de água salgada a doce é um procedimento realizado em instalações especializadas. No entanto, o tratamento é caro e representa um aumento nos níveis gerais de contaminação.

Finalmente, o consumo de água contaminada é um grande problema para os países em desenvolvimento.

Ciclo do carbono

Papel do carbono

A vida é feita de carbono. Este átomo é a estrutura estrutural de todas as moléculas orgânicas que fazem parte dos seres vivos.

O carbono permite a formação de estruturas altamente variáveis ​​e estáveis, graças à sua propriedade de formar ligações covalentes simples, duplas e triplas com e com outros átomos.

Graças a isso, pode formar um número quase infinito de moléculas. Hoje, quase 7 milhões de compostos químicos são conhecidos. Desse número muito elevado, aproximadamente 90% são substâncias orgânicas, cuja base estrutural é o átomo de carbono. A grande versatilidade molecular do elemento parece ser a causa de sua abundância.

Reservatórios

O ciclo do carbono envolve múltiplos ecossistemas, a saber: regiões terrestres, corpos d'água e a atmosfera. Destes três reservatórios de carbono, o que se destaca como o mais importante é o oceano. A atmosfera também é um reservatório importante, embora seja relativamente menor.

Da mesma forma, toda a biomassa dos organismos vivos representa um importante reservatório desse nutriente.

Fotossíntese e respiração: processos centrais

Nas regiões aquáticas e terrestres, o ponto central da reciclagem de carbono é a fotossíntese. Esse processo é realizado tanto por plantas quanto por uma série de algas que possuem o maquinário enzimático necessário ao processo.

Ou seja, o carbono entra nos seres vivos quando eles o capturam na forma de dióxido de carbono e o utilizam como substrato para a fotossíntese.

No caso dos organismos aquáticos fotossintéticos, a captação do dióxido de carbono ocorre diretamente pela integração do elemento dissolvido no corpo d'água - que se encontra em quantidade muito maior do que na atmosfera.

Durante a fotossíntese, o carbono do meio ambiente é incorporado aos tecidos do corpo. Ao contrário, as reações pelas quais ocorre a respiração celular realizam o processo oposto: liberando da atmosfera o carbono que foi incorporado aos seres vivos.

Incorporação de carbono em seres vivos

Os consumidores primários ou herbívoros se alimentam dos produtores e se apropriam do carbono armazenado em seus tecidos. Nesse ponto, o carbono segue dois caminhos: é armazenado nos tecidos desses animais e outra porção é liberada na atmosfera pela respiração, na forma de dióxido de carbono.

Assim, o carbono segue seu curso ao longo de toda a cadeia alimentar da comunidade em questão. Em algum momento, o animal morrerá e seu corpo será decomposto por microorganismos. Assim, o dióxido de carbono retorna à atmosfera e o ciclo pode continuar.

Rotas alternativas do ciclo

Em todos os ecossistemas - e dependendo dos organismos que neles habitam - o ritmo do ciclo varia. Por exemplo, moluscos e outros organismos microscópicos que criam vida no mar têm a capacidade de extrair dióxido de carbono dissolvido na água e combiná-lo com o cálcio para produzir uma molécula chamada carbonato de cálcio.

Este composto fará parte das conchas dos organismos. Depois que esses organismos morrem, suas conchas gradualmente se acumulam em depósitos que, com o passar do tempo, se transformam em calcário.

Dependendo do contexto geológico ao qual o corpo d'água está exposto, o calcário pode ficar exposto e começar a se dissolver, resultando no escape de dióxido de carbono.

Outro caminho de longo prazo no ciclo do carbono está relacionado à produção de combustíveis fósseis. Na próxima seção, veremos como a queima desses recursos afeta o curso normal ou natural do ciclo.

Mudanças no ciclo do carbono graças à presença humana

Os humanos influenciam o curso natural do ciclo do carbono há milhares de anos. Todas as nossas atividades - como industrial e desmatamento - afetam a liberação e as fontes deste elemento vital.

Em particular, o uso de combustíveis fósseis afetou o ciclo. Quando queimamos combustível, estamos movendo imensas quantidades de carbono que estava em um reservatório geológico inativo para a atmosfera, que é um reservatório ativo. Desde o século passado, o aumento na liberação de carbono foi dramático.

A liberação de gás carbônico na atmosfera é um fato que nos afeta diretamente, uma vez que aumenta as temperaturas do planeta e é um dos gases conhecidos como gases de efeito estufa.

Ciclo de nitrogênio

Papel do nitrogênio

Nos seres orgânicos, encontramos nitrogênio em duas de suas macromoléculas fundamentais: proteínas e ácidos nucléicos.

Os primeiros são responsáveis ​​por uma ampla variedade de funções, desde estrutural até transporte; enquanto as últimas são as moléculas encarregadas de armazenar a informação genética e traduzi-la em proteínas.

Além disso, é um componente de algumas vitaminas que são elementos vitais para as vias metabólicas.

Reservatórios

A principal reserva de nitrogênio é a atmosfera. Neste espaço, descobrimos que 78% dos gases presentes no ar são nitrogênio gasoso (N2.)

Embora seja um elemento essencial para os seres vivos, nem as plantas nem os animais têm a capacidade de extrair esse gás diretamente da atmosfera - como ocorre com o dióxido de carbono, por exemplo.

Fontes assimiláveis ​​de nitrogênio

Por isso, o nitrogênio deve ser apresentado como uma molécula assimilável. Ou seja, que está em sua forma reduzida ou "fixa". Um exemplo disso são os nitratos (NO3–) ou amônia (NH3.)

Existem bactérias que estabelecem uma relação simbiótica com algumas plantas (como legumes) e, em troca de proteção e alimento, compartilham esses compostos de nitrogênio.

Outros tipos de bactérias também produzem amônia usando aminoácidos e outros compostos nitrogenados que são armazenados em cadáveres e resíduos biológicos como substratos.

Organismos fixadores de nitrogênio

Existem dois grupos principais de fixadores. Algumas bactérias, algas verde-azuladas e fungos actinomicetos podem pegar a molécula do gás nitrogênio e incluí-la diretamente como parte de suas proteínas, liberando o excesso na forma de amônia. Este processo é chamado de amonificação.

Outro grupo de bactérias do solo é capaz de transformar amônia ou íon amônio em nitrito. Este segundo processo é denominado nitrificação.

Processos não biológicos de fixação de nitrogênio

Existem também processos não biológicos capazes de produzir óxidos de nitrogênio, como tempestades elétricas ou incêndios. Nesses eventos, o nitrogênio se combina com o oxigênio, produzindo um composto assimilável.

O processo de fixação de nitrogênio caracteriza-se por ser lento, sendo uma etapa limitante para a produtividade dos ecossistemas, tanto terrestres quanto aquáticos.

Incorporação de nitrogênio em seres vivos

Uma vez que as plantas tenham encontrado o reservatório de nitrogênio na forma assimilável (amônia e nitrato), elas os incorporam em diferentes moléculas biológicas, a saber: aminoácidos, os blocos de construção das proteínas; ácidos nucleicos; vitaminas; etc.

Quando o nitrato é incorporado às células vegetais, ocorre uma reação e ele é reduzido de volta à sua forma de amônio.

As moléculas de nitrogênio têm um ciclo quando um consumidor primário se alimenta de plantas e incorpora nitrogênio em seus próprios tecidos. Eles também podem ser consumidos por comedores de detritos ou por organismos em decomposição.

Assim, o nitrogênio se move por toda a cadeia alimentar. Uma parte significativa do nitrogênio é liberada junto com os resíduos e cadáveres em decomposição.

As bactérias que formam a vida no solo e nos corpos d'água são capazes de pegar esse nitrogênio e convertê-lo de volta em substâncias assimiláveis.

Não é um ciclo fechado

Após essa descrição, parece que o ciclo do nitrogênio está fechado e autoperpetuado. No entanto, isso é apenas um relance. Existem vários processos que causam perda de nitrogênio, como plantações, erosão, presença de fogo, infiltração de água, etc.

Outra causa é a desnitrificação e é causada por bactérias que conduzem o processo. Quando encontradas em um ambiente sem oxigênio, essas bactérias absorvem os nitratos e os reduzem, liberando-os de volta na atmosfera como um gás. Este evento é comum em solos cuja drenagem não é eficiente.

Mudanças no ciclo do nitrogênio graças à presença humana

Os compostos de nitrogênio usados ​​pelo homem dominam o ciclo do nitrogênio. Esses compostos incluem fertilizantes sintéticos que são ricos em amônia e nitratos.

Esse excesso de nitrogênio tem causado um desequilíbrio na trajetória normal do composto, principalmente na alteração das comunidades vegetais, que agora sofrem com a fertilização excessiva. Este fenômeno é denominado eutrofização. Uma das mensagens desse evento é que o aumento dos nutrientes nem sempre é positivo.

Uma das consequências mais graves desse fato é a destruição das comunidades de florestas, lagos e rios. Como não há equilíbrio adequado, algumas espécies, chamadas de espécies dominantes, crescem demais e dominam o ecossistema, reduzindo a diversidade.

Ciclo de fósforo

Papel do fósforo

Nos sistemas biológicos, o fósforo está presente em moléculas chamadas "moedas" de energia da célula, como o ATP, e em outras moléculas de transferência de energia, como o NADP. Também está presente nas moléculas da hereditariedade, tanto no DNA quanto no RNA, e nas moléculas que compõem as membranas lipídicas.

Também desempenha funções estruturais, pois está presente nas estruturas ósseas da linhagem dos vertebrados, incluindo ossos e dentes.

Reservatórios

Ao contrário do nitrogênio e do carbono, o fósforo não é encontrado como gás livre na atmosfera. Seu principal reservatório são as rochas, ligadas ao oxigênio na forma de moléculas chamadas fosfatos.

Como era de se esperar, esse processo de derramamento é lento. Portanto, o fósforo é considerado um nutriente raro na natureza.

Incorporação de fósforo em seres vivos

Quando as condições geográficas e climáticas são adequadas, as rochas iniciam um processo de erosão ou desgaste. Graças à chuva, os fosfatos começam a se diluir e podem ser absorvidos pelas raízes das plantas ou por outra série de organismos produtores primários.

Essa série de organismos fotossintéticos é responsável por incorporar fósforo em seus tecidos. A partir desses organismos basais, o fósforo inicia seu trânsito pelos níveis tróficos.

Em cada elo da cadeia, parte do fósforo é excretado pelos indivíduos que o compõem. Quando os animais morrem, uma série de bactérias especiais absorvem o fósforo e o incorporam de volta ao solo como fosfatos.

Os fosfatos podem seguir dois caminhos: voltar a ser absorvidos pelos autótrofos ou começar a acumular-se nos sedimentos para voltar ao estado rochoso.

O fósforo presente nos ecossistemas oceânicos também acaba nos sedimentos desses corpos d'água, e parte dele pode ser absorvido por seus habitantes.

Mudanças no ciclo do fósforo devido à presença humana

A presença de humanos e suas técnicas agrícolas afetam o ciclo do fósforo da mesma forma que afeta o ciclo do nitrogênio. A aplicação de fertilizantes produz um aumento desproporcional do nutriente, levando à eutrofização da área, causando desequilíbrios na diversidade de suas comunidades.

Estima-se que, nos últimos 75 anos, a indústria de fertilizantes fez com que as concentrações de fósforo aumentassem quase quatro vezes.

Ciclo do enxofre

Papel do enxofre

Alguns aminoácidos, aminas, NADPH e coenzima A são moléculas biológicas que desempenham diferentes funções no metabolismo. Todos eles contêm enxofre em sua estrutura.

Reservatórios

Os reservatórios de enxofre são muito variados, incluindo corpos d'água (doce e salgada), ambientes terrestres, atmosfera, rochas e sedimentos. É encontrado principalmente como dióxido de enxofre (SO2.)

Incorporação de enxofre nos seres vivos

Dos reservatórios, o sulfato começa a se dissolver e os primeiros elos da cadeia alimentar podem absorvê-lo como um íon. Após as reações de redução, o enxofre está pronto para ser incorporado às proteínas.

Uma vez incorporado, o elemento pode continuar sua passagem pela cadeia alimentar, até a morte dos organismos. As bactérias são responsáveis ​​por liberar enxofre que fica preso nos cadáveres e resíduos, devolvendo-o ao meio ambiente.

Ciclo de oxigênio

Papel do oxigênio

Para organismos com respiração aeróbia e facultativa, o oxigênio representa o aceptor de elétrons nas reações metabólicas envolvidas neste processo. Portanto, é vital manter a obtenção de energia.

Reservatórios

O reservatório de oxigênio mais importante do planeta é representado pela atmosfera. A presença desta molécula confere a esta região um caráter oxidante.

Incorporação de oxigênio nos seres vivos

Como no ciclo do carbono, a respiração celular e a fotossíntese são duas vias metabólicas cruciais que orquestram o caminho do oxigênio no planeta Terra.

No processo de respiração, os animais absorvem oxigênio e produzem dióxido de carbono como resíduo. O oxigênio vem do metabolismo das plantas, que por sua vez podem incorporar dióxido de carbono e usá-lo como substrato para reações futuras.

Ciclo de cálcio

Reservatórios

O cálcio é encontrado na litosfera, embutido em sedimentos e rochas. Essas rochas podem ser o produto da fossilização de animais marinhos cujas estruturas externas eram ricas em cálcio. Também é encontrado em cavernas.

Incorporação de cálcio em seres vivos

As chuvas e outros eventos climáticos causam a erosão das pedras que contêm o cálcio, causando sua liberação e permitindo que os organismos vivos os absorvam em qualquer ponto da cadeia alimentar.

Esse nutriente será incorporado ao ser vivo, e na hora de sua morte a bactéria realizará as reações de decomposição pertinentes que alcançam a liberação desse elemento e a continuidade do ciclo.

Se o cálcio for liberado em um corpo de água, ele pode ser retido no fundo e a formação de rochas começa novamente. O deslocamento da água subterrânea também desempenha um papel importante na mobilização do cálcio.

A mesma lógica se aplica ao ciclo do íon potássio, que é encontrado em solos argilosos.

Ciclo do sódio

Papel do sódio

O sódio é um íon que desempenha várias funções no corpo dos animais, como impulso nervoso e contrações musculares.

Reservatório

O maior reservatório de sódio é encontrado na água ruim, onde é dissolvido na forma de um íon. Lembre-se que o sal comum é formado pela união entre o sódio e o cloro.

Incorporação de sódio em seres vivos

O sódio é incorporado principalmente pelos organismos que formam a vida no mar, que o absorvem e podem transportá-lo para a terra, seja pela água ou pelos alimentos. O íon pode viajar dissolvido na água, seguindo o caminho descrito no ciclo hidrológico.

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