Los procesos biogeoquímicos

A lo largo de la evolución de nuestro planeta la química de la superficie terrestre y de las aguas marinas y las capas bajas de la atmósfera ha experimentado importantes cambios. Es en ese entorno en el que se encuadra la biosfera, en la cual se localizan todas las formas de vida existentes en la Tierra.

Estos cambios se han producido de manera paulatina, por lo que las distintas formas de vida animal y vegetal se han adaptado con mayor o menor dificultad a los procesos biogeoquímicos asociados. En tiempos recientes, la química terrestre ha experimentado cambios de gran alcance a una gran velocidad, impulsados por el vertiginoso crecimiento demográfico humano y el correspondiente aumento en el consumo de recursos alimentarios y energéticos.

En este marco se encuadra la biogeoquímica. Esta disciplina, constituida como rama de la química y la geología a partir de los estudios del ruso Vladímir Vernadsky en la década de 1920, ha adquirido en los últimos años una especial importancia ante la ascendente tendencia a la alteración del equilibrio físico, químico y ambiental de la biosfera.

Química de la Tierra y biogeoquímica

La geoquímica es la parte de las ciencias terrestres y, específicamente de la geología, que se encarga de las aplicaciones de la ciencia química a las diferentes áreas de estudio de la geología. Rama científica multidisciplinar, en ella se analizan los procesos que a lo largo de la evolución terrestre han determinado la distribución en capas y estratos que conforma la estructura interna del planeta.

También compete a su estudio el origen y las características de las rocas y minerales, tanto desde el punto de vista de su conformación cristalina como del de las reacciones asociadas. Igualmente, la geoquímica plantea como área de investigación el conocimiento de la abundancia comparativa de los elementos químicos que integran el Sistema Solar, las galaxias y nebulosas y, en general, el Universo, en la disciplina subordinada denominada cosmoquímica.

La disciplina científica encargada de estudiar la abundancia de los elementos químicos en las galaxias, las nebulosas, el Sistema Solar y el Universo en general se conoce por el nombre de cosmoquímica. Ésta puede ser entendida como una de las subramas de la biogeoquímica. En las imágenes, el módulo Surveyor II posado sobre la superficie lunar durante una expedición de la NASA para la recogida de muestras minerales de la Luna.

La disciplina científica encargada de estudiar la abundancia de los elementos químicos en las galaxias, las nebulosas, el Sistema Solar y el Universo en general se conoce por el nombre de cosmoquímica. Ésta puede ser entendida como una de las subramas de la biogeoquímica. En las imágenes, el módulo Surveyor II posado sobre la superficie lunar durante una expedición de la NASA para la recogida de muestras minerales de la Luna.

Cuestiones como el origen químico de la vida sobre la Tierra, las alteraciones de la corteza terrestre, la hidrosfera y la atmósfera como consecuencia de los procesos biológicos conforman un área específica dentro de las ciencias geológicas a la que se conoce como biogeoquímica. También llamada geoquímica orgánica o geoquímica del carbono, esta disciplina estudia también la incorporación de los materiales de origen orgánico procedentes de seres vivos a los suelos y a las rocas.

De hecho, la vida en la Tierra está constituida por una amplísima variedad de moléculas de carbono, fundamentalmente englobadas en grupos como los carbohidratos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos. Por otra parte, el ciclo del carbono determina el flujo de este elemento químico en sus diferentes estados, en forma de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera o bien disuelto en el océano y en las aguas dulces, integrado en compuestos carbonados como los carbonatos en las sustancias minerales o como parte de los organismos vivos.

En los procesos biogeoquímicos, el carbono desempeña un papel crucial, en tanto que es el elemento que conforma la base estructural de las sustancias que integran la materia viva. No obstante, ésta consta de otros elementos, cuantitativamente escasos en relación con el total. De hecho, de los más de noventa elementos químicos que existen en estado natural sólo unos pocos se hallan en la composición de los seres vivos. Junto con el carbono, predominan también el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno. Otros aparecen en cantidades inferiores: se trata de elementos como el fósforo y el azufre. Algunos más, los llamados elementos traza, como el cinc, el hierro, el magnesio o el selenio, sólo aparecen en cantidades ínfimas.

Cada uno de estos elementos presenta un ciclo en el que se establece el flujo del medio abiótico a los seres vivos y de éstos a la materia inerte. Idéntico ciclo, de vital importancia para el desarrollo de los procesos biogeoquímicos, presenta el agua, sustancia que constituye una parte importante de la masa de los seres vivientes y sin la cual no sería viable la vida en el planeta.

Este conjunto de ciclos conforman la base de los procesos biogeoquímicos, de creciente importancia en las modernas ciencias biológicas y ecológicas. Por otro lado, los procesos biogeoquímicos se analizan también desde la perspectiva de las transformaciones químicas que tienen lugar en los depósitos de carbón, petróleo y gas natural, es decir, de las reacciones que se producen para que la materia viva se transforme en combustibles fósiles.

El estudio de los procesos biogeoquímicos que tienen lugar en los depósitos de carbón tiene gran interés práctico para el conocimiento de la formación y evolución de los combustibles fósiles, tan importantes para el desarrollo de las sociedades humanas. En la imagen, mina de carbón en Tagebau Garzweiler, Alemania.

En este marco, es objeto de interés de la biogeoquímica el análisis de las interacciones químicas que regulan fenómenos tales como la erosión y descomposición de las rocas, la producción de suelos o la disolución y precipitación de compuestos como el carbonato de calcio, estrechamente ligada a ellas. Se contemplan también las alteraciones que se producen en los sedimentos orgánicos hasta formar rocas sedimentarias, cuyo origen lo constituyen en buena parte los esqueletos calcáreos de los organismos marinos en descomposición.

En definitiva, desde un punto de vista amplio puede decirse que el estudio de los procesos biogeoquímicos se centra en los fenómenos y reacciones químicas, biológicas y geológicas que regulan la composición de la biosfera. En ello se incluyen las partes de la litosfera, la hidrosfera y la atmósfera que cuentan con formas de vida animal o vegetal.

Evolución de la biogeoquímica

Los primeros trabajos dedicados al análisis de los procesos biogeoquímicos corresponden al ruso Vladímir Vernadsky. Inicialmente centrado en el campo de la mineralogía, este científico derivó su atención al estudio de las aportaciones que los seres vivos realizan a la atmósfera y acertó a concretar el papel que éstos desempeñan en la formación del oxígeno, el nitrógeno y el dióxido de carbono que constituyen la composición atmosférica básica.

Igualmente, los trabajos de Vernadsky se orientaron hacia los efectos que los organismos vivos ejercen sobre la composición química de la corteza terrestre. Analizó, por ejemplo, las concentraciones de los elementos implicados en los ciclos biogeoquímicos en los diferentes estratos de la corteza terrestre. Por todo ello se considera al investigador ruso fundador de la teoría de la biosfera, entendida como masa total integrada por las diferentes formas de vida en la que fluyen y se reciclan los nutrientes y la energía presentes en el medio.

Otra figura destacada dentro de la biogeoquímica es el estadounidense George Evelyn Hutchinson. Este científico definió el campo de cobertura de la disciplina mediante trabajos realizados en ecosistemas acuáticos y, más específicamente, en lagos. Entre sus investigaciones se cuentan los estudios sobre la composición de las aguas a diferentes niveles y su función en las circulaciones y corrientes, o los análisis químicos de las cuencas sedimentarias.

En la evolución del estudio de los procesos biogeoquímicos es también notable la hipótesis Gaia, formulada a finales de la década de 1960 por el británico James Lovelock y la estadounidense Lynn Margulis. Según esta teoría, la biosfera se autorregula por medio de transformaciones y reacciones químicas que determinan las relaciones de los seres vivos, entre ellos mismos y con su entorno (v. tabla 1).

Tabla 1. Según James Lovelock, la biosfera se autorregula a través de la interacción de los elementos que la componen, incluidos los seres vivos. Para apoyar su hipótesis, estudió la composición atmosférica de la Tierra, Venus y Marte y la comparó con la de una Tierra abiológica (sin seres vivos).

Este modelo de Tierra que «se cura a sí misma» es un planteamiento teórico que no todos los científicos consideran acertado, si bien se ve refrendado por datos contrastables. Por ejemplo, la composición relativamente uniforme de la atmósfera y del agua del mar o la temperatura más o menos constante del planeta desde sus orígenes, aunque la radiación solar haya aumentado en un 25 %, son registros que otorgan cierto crédito al planteamiento autorregulador de la biosfera.

Investigación de procesos biogeoquímicos

El estudio de los ciclos del carbono, el nitrógeno, el oxígeno, el agua, etc., y la biogeoquímica como disciplina general están experimentando en el marco de las modernas ciencias de la Tierra un importante desarrollo. Algunas de las principales líneas de investigación de esta rama del conocimiento son el análisis de los procesos de acidificación y la recuperación de suelos degradados, la eutrofización de las aguas superficiales, la creación de modelos de sistemas naturales para el estudio del alcance de la contaminación, el cambio climático y el secuestro de carbono.

Recuperación de suelos y eutrofización

La formación de suelo y su erosión son procesos que tienen lugar de forma natural en la superficie terrestre. Sin embargo, la erosión del suelo se convierte en un grave problema ambiental cuando se ve incrementada por efecto de la gestión inadecuada de los suelos y el desarrollo de prácticas agrícolas perjudiciales.

En el ámbito biogeoquímico tiene especial importancia el control del proceso de acidificación, es decir, el incremento de la concentración de iones de hidrógeno (H+) en los suelos. Al igual que sucede con la formación y la erosión de los estratos superficiales, su acidificación también tiene lugar de manera espontánea, por el arrastre de iones con el agua de lluvia o por la descomposición microbiana de los organismos que conforman el componente biológico de los suelos.

Sin embargo, la acidez puede ser inducida por el uso abusivo de fertilizantes acidificantes y por efecto de la contaminación a través de la lluvia ácida. Así se llama a la precipitación que arrastra los contaminantes suspendidos en la atmósfera, sobre todo dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno, debido a las emisiones de productos derivados de los combustibles fósiles. Otras causas como la reforestación de zonas incendiadas de bosque con coníferas hacen aumentar también la acidez del terreno.

La acumulación de basura no biodegradable es un elemento de rápida degradación de las capas superficiales del suelo.

Entre los efectos perniciosos que conlleva la acidificación están la lixiviación o arrastre de compuestos ácidos a las aguas corrientes o subterráneas, la disminución de la fertilidad de las tierras agrícolas y la reducción de la capacidad de amortiguación y filtración de los suelos. Ello puede facilitar en gran medida la contaminación de los cauces de agua.

Igualmente, este fenómeno supone una descompensación de la biodiversidad vegetal del entorno, dado que da prioridad al desarrollo de especies acidófilas en detrimento de las que no lo son. Así, el adecuado control biogeoquímico de los procesos relacionados con la modificación del equilibrio natural de los suelos resulta de importancia esencial para la preservación del medio vegetal y, en consecuencia, del ecosistema, en especial en bosques, pastizales y tierras de cultivo.

Por otra parte, el control de la eutrofización es una de las líneas de investigación con más proyección en los estudios biogeoquímicos. En términos genéricos se designa así a cualquier enriquecimiento de nutrientes de un ecosistema. Sin embargo, como problema ambiental, el proceso hace referencia a la incorporación masiva de nutrientes inorgánicos, como nitrógeno o fósforo.

La lluvia ácida o arrastre de contaminantes (dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno especialmente) suspendidos en la atmósfera por la lluvia provoca la acidificación de los terrenos y, en los casos más graves, la muerte de la flora presente en ellos. En la imagen, bosque checo afectado por la lluvia ácida.

Estos elementos hacen que la biomasa constituida por algas y otras plantas acuáticas, cuyo crecimiento normal se ve limitado por la escasa concentración de ellos en las aguas, crezcan sin medida. Como consecuencia, se origina un incremento descontrolado de la biomasa y un desequilibrio pronunciado de la biodiversidad del medio.

Modelización de sistemas naturales. La creación de modelos que reproduzcan las distintas variables que ejercen su influencia en los ecosistemas y en los procesos biológicos de la dinámica terrestre es otra de las áreas en las que el estudio de los procesos biogeoquímicos tiene una creciente aplicación Esta modelización permite analizar escenarios de impacto ambiental y establecer previsiones sobre su posible evolución.

Se trata de un campo de acción en el que intervienen factores de planteamiento matemático y nuevos recursos tecnológicos, vinculados a la computación, la robótica, la inteligencia artificial y otras ramas de las más avanzadas tecnologías. Precisamente uno de los problemas acuciantes en los que este tipo de actividad tiene mayor potencial es el análisis de las diferentes perspectivas y fenómenos relacionados con el cambio climático y el calentamiento global.

Cambio climático y secuestro de carbono

El estudio de los ciclos biogeoquímicos desempeña un papel determinante en el cambio climático global al que se está asistiendo en el curso de las últimas décadas. Alteraciones de este tipo se han producido desde los orígenes de la Tierra, ciertamente antes de la aparición del hombre. No obstante, el calentamiento global al que se asiste en la actualidad presenta la particularidad de concentrarse extraordinariamente en el tiempo geológico y depende de la acción del hombre sobre el medio.

El calentamiento global acelerado que se observa en el planeta desde finales del siglo XX se ha atribuido en buena medida a los efectos de la actividad industrial. Una de las soluciones propugnadas es una reducción general de las emisiones de los llamados gases de invernadero, sobre todo dióxido de carbono (CO2).

El ingente incremento de la actividad industrial y del consumo de energía lleva aparejado un crecimiento simultáneo de las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono, compuestos clorofluorocarbonados (cfc) y metano. Estas sustancias son responsables directas del efecto invernadero, principal elemento generador del calentamiento global.

Las investigaciones biogeoquímicas han de orientarse en consonancia, de forma que puedan servir de base para limitar uno de los problemas ambientales existentes. Se trata, no obstante, de un campo de acción en el que los intereses económicos y políticos ejercen un papel preponderante, muchas veces más allá de las valoraciones de los estamentos científicos.

En este contexto, el secuestro de carbono, también conocido como captura y almacenamiento de carbono, es una línea de investigación promovida en los primeros años de la década de 2000 por diversos estamentos. Tal propuesta propone la acumulación de las emisiones de dióxido de carbono en dispositivos especializados instalados en las fábricas e instalaciones que los generan, sin que se liberen a la atmósfera. A continuación se inyectarían en depósitos subterráneos, como yacimientos de petróleo o de gas agotados, minas abandonadas y otras cavidades de la corteza terrestre, o bien se harían reaccionar con óxidos metálicos para formar carbonatos estables.

Estos procedimientos son económicamente costosos y requieren amplios recursos tecnológicos y financieros. Además, no cuentan con el beneplácito de algunas organizaciones conservacionistas, que insisten en que la única forma de disminuir el efecto contaminante de los gases de invernadero es la drástica reducción de las emisiones. Con todo, este campo de la biogeoquímica parece anunciar un posible desarrollo futuro de esta disciplina.