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Ciclos de materia

La materia necesaria para la vida (fósforo, nitrógeno, carbono, hidrógeno y casi todos los elementos químicos existentes) se encuentra en los ecosistemas en dos formas:

Como materia orgánica, que puede estar viva, como biomasa de productores, consumidores y descomponedores, o muerta, en el suelo, en las hojas muertas, etc.
Como materia en estado inorgánico en el medio físico: suelo, rocas, disuelta en el agua, como gases en la atmósfera.

Por acción del ecosistema, la materia está pasando continuamente del compartimiento inorgánico abiótico al orgánico biótico y viceversa, es un proceso cíclico que garantiza la disponibilidad de materia para el ecosistema y para la vida. A diferencia de la energía, que tiene una fuente de larga duración en el Sol, la materia disponible en la superficie de la Biosfera es finita; si la materia no se reciclara, ya se habría agotado y la vida no sería posible. Por ello, el reciclaje de la materia es uno de los procesos básicos de soporte de la vida sobre la Tierra.

Tanto los flujos de energía como los ciclos de materia pueden estudiarse cuali- y cuantitativamente y su comprensión es fundamental para entender el funcionamiento de los ecosistemas y planificar su uso y manejo.

Un ejemplo clásico de un ciclo de materia es el ciclo del carbono, el elemento constitutivo fundamental de la materia orgánica. El carbono es abundante en la naturaleza pero la mayor parte se encuentra formando parte de depósitos de sedimentos en las profundidades marinas, en forma de carbonato de calcio, de donde es difícil de obtener. La fuente más directa de carbono es la atmósfera, donde se encuentra principalmente en forma de dióxido de carbono CO2, o en las aguas del mar, donde el CO2 se disuelve. De allí, el CO2 es utilizado por el subsistema de productores del ecosistema (la vegetación o el fitoplancton, según sea el caso), para sintetizar materia orgánica mediante el proceso de la fotosíntesis. Así, el carbono pasa a formar parte de materia orgánica: azúcares, aceites, proteínas, etc. en la biomasa de los productores. Los mismos organismos productores usan una parte de esa materia orgánica en sus procesos respiratorios, que equivales a una combustión lenta de los compuestos de carbono, y devuelven a este a su estado inorgánico y a al atmósfera o al agua, según sea el caso. Así, una parte del carbono completa un ciclo y queda en condiciones de ser reutilizado. Pero otra parte de la materia orgánica es consumida por herbívoros (conejos, venados, algunos insectos, vacas, por ejemplo) los cuales usan una parte para formar su propia biomasa (para engordar, digamos) y otra parte la queman para obtener energía en el proceso de respiración. Así, otra parte del carbono orgánico es reciclado. Algo similar ocurre con el consumo carnívoro: los carnívoros matan, consumen, engordan, respiran, reciclan.

Pero gran parte de la materia orgánica no sigue esta vía sino la de los detritos, ya explicada. La materia muere (fragmentos vegetales y animales o los organismos completos) y es descompuesta en un proceso complejo que implica la participación de hongos y bacterias en la descomposición y de numerosos animales que a su vez se alimentan en parte de la materia muerta y de los organismos que la están descomponiendo: los detritívoros. Hay una parte del proceso de descomposición que interesa resaltar y se refiere a un conjunto limitado de sustancias orgánicas, muy abundantes en la naturaleza, como la celulosa (que forma la madera) y la quitina (que forma parte de esqueletos y pieles de animales), cuyo carbono no puede ser reciclado a través de la respiración y debe ser sometido a procesos específicos de descomposición por un grupo, así mismo limitado, de descomponedores especializados: algas, hongos, algunos protozoarios.

El ciclo del carbono sirve para la formulación de un modelo general de los ciclos de materia (Gráfica), que comparten algunas de las siguientes características:

El elemento en estado inorgánico se encuentra en abundancia en un depósito natural de donde es tomado para la síntesis orgánica. Este depósito puede ser la atmósfera, para los elementos gaseosos (nitrógeno, oxígeno, carbono, formas gaseosas del azufre, por ejemplo), el agua (fuente de hidrógeno y oxígeno y donde se disuelven los gases usados en los ecosistemas acuáticos), la corteza terrestre, en especial las rocas sedimentarias, y los suelos (fósforo, potasio, magnesio, boro, azufre, etc.).
Un proceso de síntesis que lo lleva a estado orgánico; síntesis de carbohidratos que usan carbono, hidrógeno y oxígeno; de proteínas, que además usa nitrógeno o azufre; de ácidos nucleicos y fosfolípidos que además demandan fósforo, etc.
Un proceso de remineralización que devuelve el elemento a su estado inorgánico. Los principales procesos biológicos son la respiración y la descomposición; también hay procesos físicos y químicos, en especial la combustión. Así, hay varios momentos en los cuales se puede cerrar el ciclo y varias vías posibles de circulación de un elemento dado por el ecosistema. En general este ciclo implica el retorno del elemento en cuestión al depósito original.
Se presentan, no obstante, depósitos de materia orgánica muerta que permanecen mucho tiempo y pueden llegar a un estado fósil. Así, mucha materia se deposita en los suelos y en forma de petróleo, gas o carbón donde puede permanecer mucho tiempo antes de completar su ciclo.
También se presenta un caso especial, de gran importancia, consistente en que en muchos casos el elemento no es devuelto al depósito sino transferido directamente de los remineralizadores a los productores. Es el caso de hongos (conocidos como micorrizas) que viven en las raíces de los productores, descomponen materia orgánica y transfieren a ellos, de manera directa, los elementos inorgánicos. Este mecanismo elimina el riesgo de que elementos escasos como el fósforo puedan escapar del sistema y garantiza un continuo abastecimiento de los mismos. Los ecosistemas más complejos presentan numerosos ejemplos de este tipo, basado en simbiosis mutualistas: corales y zooxantelas, líquenes, leguminosas y bacterias fijadores de nitrógeno, entre muchos ejemplos.