El ciclo del carbono es uno de los procesos biogeoquímicos más importantes para la vida en la Tierra. A través de este flujo constante, el carbono se desplaza entre la atmósfera, los océanos, el suelo y los organismos. Este intercambio no solo sostiene la vida, sino que tiene un impacto directo sobre el clima global. El ciclo del carbono es el proceso natural que describe cómo este elemento circula a través de los diversos reservorios de la Tierra. Este ciclo es dinámico: el carbono se intercambia continuamente para asegurar niveles estables de CO₂ en la atmósfera.
Como resumen del ciclo de carbono, podemos decir que este es un ciclo biogeoquímico en el cuál se describen los movimientos de carbono a través de la biosfera, litosfera, atmósfera e hidrosfera. El carbono es uno de los elementos más abundantes en la Tierra. El ciclo se subdivide en el ciclo biológico del carbono y el biogeoquímico. En el primero, la biosfera regula los intercambios con la atmósfera, a través de la fotosíntesis (retención de carbono) y la respiración (devolución de carbono). Mientras que en el segundo, se controla el intercambio de CO2 a través de la biosfera y el resto de subsistemas.
La Asimilación de Carbono: Un Pilar Biológico
La asimilación de carbono es el proceso de captura CO2 mediante fotosíntesis mediante el cual los organismos autótrofos -principalmente plantas, algas y cianobacterias- capturan dióxido de carbono de la atmósfera y lo incorporan a compuestos orgánicos. La fotosíntesis es el motor biológico que introduce el carbono inorgánico en la cadena alimentaria. Utilizando la energía solar, estos organismos transforman el CO₂ en glucosa (C₆H₁₂O₆), un tipo de azúcar que utilizan como fuente de energía para su crecimiento y desarrollo. La fotosíntesis es fundamental porque las plantas actúan como sumideros de carbono.
A efectos de los seres con capacidad fotosintética (vegetales) el CO2 es un nutriente, ya que cumple las condiciones expuestas para ellos. El CO2 es un gas que se introduce en las plantas por sus estomas de las hojas (siempre que estén abiertos). Esta estrategia de captura no es la única. El mundo vegetal acuático (sobre todo de aguas calientes), debe de ingeniárselas para captarlo del agua, bien en forma gaseosa (a veces no hay suficiente) y/o disuelta, dada la facilidad del CO2 para formar ión bicarbonato, en ese medio.
El CO2/HCO3- una vez introducido en el especio estomal, debe de ser transferido hasta otras células con capacidad fotosintética del tejido foliar, bien en forma de CO2, como de HCO3-. Existen muchos y muy variados estudios de cómo los estomas regulan su paso a través de sus membranas y de como llega esta molécula hasta el plasto, ya que allí si se precisa CO2 gas.
Lea también: impacto ambiental: emisiones de CO2 desglosadas por nación
El Ciclo de Calvin y la RuBisCO
En todo orgánulo responsable de la fotosíntesis, el enzima que reduce al CO2 y conforma moléculas orgánicas, se llama coloquialmente RUBISCO (ribulosa 1,5 bisfosfato carboxilasa oxigenasa). Su trabajo emplea parte del potencial reductor (NADPH) y del energético (ATP) generado en la fase lumínica de la fotosíntesis. Esta es la puerta del conocido “ciclo de Calvin-Benson”. Sin embargo, la RUBISCO precisa, para funcionar como “carboxilasa”, una provisión de CO2 importante, y a un “ritmo” definido compatible con la cantidad de O2 que la fotosíntesis va generando. Así la relación CO2/O2 se convierte en un parámetro clave: en términos sencillos, cuando es >1 se produce la fotofijación de CO2 y cuando es <1 la fotooxidación.
El ciclo de Calvin permite la asimilación de CO2, que queda incorporado en forma de carbohidratos. La enzima RuBisCO cataliza la reacción clave de fijación del CO2, produciendo 3-fosfoglicerato. Este se convierte en gliceraldehído-3-fosfato (Gra3P) consumiendo ATP y NADPH. Para fijar cada CO2 se necesita ribulosa-1,5-bisfosfato, y se producen 2 moléculas de Gra3P. Puesto que el Gra3P es un intermedio de la gluconeogénesis, se puede usar para producir fructosa-6P. Mediante una serie de reacciones estos azúcares de 3 y 6 carbonos se recombinan dando ribulosa-5P, que se fosforila a costa de ATP para regenerar la ribulosa-1,5-bisfosfato consumida inicialmente. De este modo, a partir de 3 moléculas de CO2 se producen 6 de Gra3P, de las cuales 5 se reciclan y 1 es la producción neta.
El nombre tradicional, "fase oscura", no es recomendable porque induce a error: si bien estas reacciones no dependen directamente de la irradiación solar, la regulación de las enzimas de esta ruta está estrechamente ligada a los productos de la "fase luminosa", de tal modo que en la oscuridad las enzimas del ciclo de Calvin están inhibidas. La "fase oscura", pues, solo es operativa bajo la luz.
Enzimas Auxiliares en la Asimilación de Carbono
En esta historia tenemos un aliado enzimático la “ANHIDRASA CARBÓNICA”. Su velocidad se mide en catals/microsegundo. Quizás este enzima, uno de los mas antiguos dentro de la evolución, tuvo que resolver el problema de la temperatura de las aguas, en los primeros pasos de implantación de la fotosíntesis (en el mar), cuando la temperatura era muchos mas elevada, y por lo tanto la tasa de CO2 en su seno, mucho menor. Ciertamente la respuesta se asocia a la existencia “en el conjunto fotosintético del plasto” de otro enzima la “anhidrasa carbónica” que, a una velocidad extraordinariamente alta, es capaz de transformar al CO2 en bicarbonato y viceversa. Estableciendo que la Rubisco sólo acepta CO2, parece que se justifica la actuación de la anhidrasa carbónica como “servidor” del gas que aviva la actividad sintetizadora, pues en el agua, una forma de acumulación es el ión bicarbonato. Ello justificaría claramente el porqué los humedales y las aguas marinas poco profundas pueden acumular cantidades enormes de materia orgánica.
Adaptaciones Evolutivas: Plantas C4 y CAM
Para conseguir este dominio de la situación las plantas han sufrido un proceso evolutivo que ha durado muchos milenios. La historia de la evolución de la Tierra, nos indica que la temperatura del agua ha ido descendiendo y la composición de la atmósfera ha variado muy lentamente perdiendo CO2 y ganando O2. En épocas pretéritas, cuando el proceso fotosintético se inicia, las plantas tuvieron que ingeniárselas para bioacumular suficiente CO2 en una “forma adecuada” para que el funcionamiento de la Rubisco fuera eficiente y, con el, todo el proceso fotosintético (ciclo de Calvin).
Lea también: descubre la molécula clave en la fotosíntesis
Hay plantas, sobre todo en lugares con climatología xérica, que funcionan de una manera especial. Su descubrimiento se realizó en la década de 1970, y fue presentado como un gran desafío frente al “pensamiento único del ciclo de “Calvin-Benson”. Tuvieron la osadía de decir que el citado ciclo no era el único camino en el procesado de fijación de CO2. Aceptado el hallazgo, la fotosíntesis bautizada como C4 la realizaban, entre otras las plantas, las crasuláceas o CAM que se contrapone a la clásica C3 de Calvin. Y la verdad es que estas plantas CAM, y otras C4, tienen un comportamiento funcional muy curioso.
Cuando las briofitas empiezan a colonizar la Tierra y tienen que evitar otro problema (la falta de agua) las estructuras de intercambio de gases de aquellas colonizadoras optaron por mantener cerrados sus estomas durante el día, y abrirlos durante la noche. Además, generaron tejidos engrosados, que permitieran acumular agua, para evitar la desecación. Además generaron un mecanismo de acumulación de CO2 en un ámbito morfológico definido (células del mesófilo), con el objeto de poder disponer de unos niveles mínimos de CO2 disponible, pero en forma orgánica (ya que a partir de un ácido C-3 PEP o fosfoenolpirúvico y bicarbonato se forma ácido oxalacético, succínico y/o ácido málico). Esta reserva de CO2, convenientemente transferida a otro lugar morfológico (el tejido perivascular o vaina del haz vascular) o área tisular, permite “satisfacer la capacidad de asimilación de CO2” de la RUBISCO de forma suficiente y constante. Así, las dos partes del proceso pueden presentar una separación temporal, la fijación inicial del CO2 (nocturna), y la fotosíntesis (diurna).
Los sistemas de lanzadera tienen como contrapartida el retorno (para mantener estable la carga electronegativa de cada recinto) de distintas formas del ácido C-3, resultante de la “descarga” del CO2 y en su caso del grupo amino portado, en el área metabólica donde actúa la Rubisco. En compensación retornan ácido pirúvico o PEP al punto de origen. Este tipo de metabolismo es ventajoso en habitats áridos, con condiciones hídricas desfavorables, en climas muy cálidos. Asegura la supervivencia de las plantas, pero no un gran crecimiento del cuerpo vegetativo (Mauseth 1991). Este mecanismo fotosintético se encuentra también en numerosas plantas epífitas. El tipo de metabolismo CAM (metabolismo ácido de Crasuláceas) se encontró en especies de Crassulaceae pero aparece en especies de Agavaceae, Aizoaceae, Asclepiadaceae, Bromeliaceae, Cactaceae, Compositae, Cucurbitaceae, Euphorbiaceae, Geraniaceae, Labiatae, Liliaceae, Orchidaceae, Oxalidaceae, Piperaceae, Portulacaceae y Vitaceae, también en la Gimnosperma Welwitschia y en las Pteridofitas en Isoetes y algunas Polypodiaceae.
Entre las dicotiledóneas, con fotosíntesis C4 y con un tipo de anatomía especial (Kranz) aparecen componentes de familias tales como Amaranthaceae, Aizoaceae, Compositae, Chenopodiaceae, Euphorbiaceae, Nyctaginaceae, Portulacaceae, Zygophyllaceae. Además, recientemente se están encontrado especies de Chenopodiaceae con fotosíntesis C4 pero sin anatomía Kranz, como Borszczowia aralocaspica y Bienertia cycloptera (Voznesenskaya et al. 2001 y 2002). Si este conjunto de nombres puede servir para ingenieros agrónomos, estudiantes y agricultores reconocerán algunas Cyperaceae muy utilizadas como el maíz (Zea mays), la caña de azúcar (Saccharum officinarum), el sorgo y malezas muy agresivas como la grama (Cynodon dactylon) el Paspalum y otras del género Cyperus y de otros géneros como Echinochloa y Rottboellia (Poáceas). Al parecer, antes del Mioceno (hace 15 millones de años), las plantas C4 eran casi inexistentes. De ahí que se piense que la disminución de CO2 en el Mioceno, causada quizás por una mayor meteorización ligada a la emersión del Tibet, pueda haber originado el desarrollo de las plantas C4, y que el avance de las hierbas tropicales, que suelen ser de tipo C4, favoreció la evolución de los mamíferos.
Otros Procesos Metabólicos con CO2
Es aceptado que si no hubiere bases nucléicas, los mecanismos de transferencia de información (mitosis y meiosis), y procesos tan significativos como la síntesis protéica y la síntesis de moléculas como el ATP o el GTP no se habrían diseñado en la forma actual. Pero claro para la síntesis de las bases nucléicas (pirimídicas y púricas) se precisa del CO2. En la síntesis del anillo pirimidínico, se precisa de otro enzima, la “CPS” (carbamoil-fosfo-sintetasa) que precisa de CO2, además de NH4+ y mucho ATP. Se genera carbamoil fosfato, el cual se une al ion aspartato y se cicla. Así se da el primer paso en las síntesis de bases pirimídicas (el ácido orótico).
Lea también: fundamentos de la nutrición vegetal
Si para las bases pirimídicas se plantean problemas, que de alguna manera se asemejan a los de la Rubisco, en cuanto a la necesidad de CO2 gas y ser el “cabeza de proceso”, en la formación de las bases púricas el problema es distinto, ya que el CO2 es trasportado por un “portador” la biotina y el uso de “ligasas” (enzimas de gran edad). El CO2 también actúa (pero de una manera absolutamente diferente) en otra área metabólica: la síntesis de ácidos grasos. Y hago esta apreciación porque ahora, cuando la relación CO2/O2 es elevada, se activa (en las mitocondrias) un conjunto enzimático llamado “ACP” (acyl carrier protein) en presencia de un exceso de acetil CoA forma malonilCoA que actúa como impulsor de la síntesis de ácidos grasos. Esta activación presenta dos puntos de gran interés productivo. Por un lado la capacidad para impulsar el crecimiento de los vegetales, ya que todas las membranas celulares precisan de fosfolípidos. Por otro lado, cuando se impulsa el proceso de formación y relleno de la semilla, siempre que su forma de reserva sean los triglicéridos (caso de las oleaginosas).
A veces el CO2 se capta por las raíces, pero no de todas las plantas. Ahora el proceso de asimilación del CO2 lo asociamos a la fijación biológica de N2. Debemos de buscar esta intervención, cuando la planta actúe de forma simbiótica con el fijador de N2. La planta o la asociación biológica en la cual intervenga un fijador de N2 como es el caso de las costras biológicas en suelos desérticos. Los bosques de Brasil y una variada de especies forestales tropicales son básicamente leguminosas (fijadoras de N2). Existen trabajos verdaderamente apasionantes sobre la importancia de mantener las fuentes naturales de CO2 en los suelos y aguas tropicales (los manglares también se benefician de esta situación). Y ello significa mantener los niveles respirométricos de los suelos, (evitando a toda costa la contaminación que dañe al edafón).
Componentes del Ciclo del Carbono
El ciclo del carbono se puede dividir en las siguientes partes: producción, síntesis y fijado. La producción se basa en los procesos que emiten carbono. La síntesis, es la retirada de carbono de la atmósfera y transformación en moléculas más complejas. Por último, la parte del fijado es donde se queda atrapado este elemento.
1. Producción de Carbono
En la producción de carbono, la biosfera exhala en el proceso de respiración CO2; y en los de descomposición y fermentación expulsa CO2 y CH4. Por otro lado, la hidrosfera emite el CO2 que posee disuelto al aumentar la temperatura, por las variaciones térmicas. Así mismo, la litosfera desprende CO2 durante las erupciones volcánicas al liberarse el carbono presente en minerales y rocas.
2. Síntesis de Carbono
La síntesis es realizada por los organismos fotosintéticos (plantas, algas y ciertas bacterias). Durante la fotosíntesis, la combinación de CO2, agua y energía lumínica es transformado en materia orgánica y oxígeno. En este proceso, el CO2 inorgánico es transformado en un compuesto orgánico más asimilable para los seres vivos. Por otro lado, la formación de corteza terrestre a través de calizas y dolomías en aguas poco profundas, por la acumulación de esqueletos orgánicos, también acaba retirando el carbono.
3. Fijado de Carbono y Sumideros
El fijado de carbono se almacena en los sumideros de carbono. Se llaman sumideros de carbono o sumideros de CO2 a los depósitos naturales o artificiales que existen en la Tierra donde se puede capturar carbono. Estos son depósitos naturales o artificiales que capturan y almacenan carbono de la atmósfera. Dentro de los naturales se encuentran los océanos, la biomasa vegetal y animal, el permafrost, las rocas sedimentarias calizas (ciclos geológicos de carbono) y los yacimientos de recursos fósiles (carbón, petróleo, gas natural e hidratos de metano). Los principales sumideros de carbono en la Tierra han originado las zonas de rocas calizas, los almacenamiento de combustibles fósiles, como carbón, gas natural, petróleo y otros hidrocarburos. La destrucción de estos depósitos aumenta la concentración de carbono en la atmósfera.
El CO2 disuelto en la hidrosfera se almacena mejor a bajas temperaturas. Los océanos son considerados los mayores sumideros de carbono, ¡más aún que el Amazonas! La litosfera retiene gran parte del carbono en ella a través de las rocas calcáreas y las carbonosas. En ella se encuentran los yacimientos de combustibles fósiles. Estos yacimientos tardan miles de años en formarse y los estamos extrayendo y utilizando a una velocidad que no le da tiempo a la Tierra para regenerarlos, además de añadir CO2 a la atmósfera por la combustión de estos.
La materia no se crea ni se destruye, solo se transforma, y en cada transformación se pierde un ligero porcentaje de energía en forma de calor, por lo que el carbono no para de recircularse durante miles y miles de años.
El carbono en el suelo se refiere a la cantidad de carbono almacenado en el suelo, que incluye materia orgánica y minerales. Esta captura puede producirse en depósitos donde se puede almacenar al largo plazo. En el ámbito universitario, se realiza la cuantificación en infraestructura verde en jardines, arbolados y techos verdes para calcular el secuestro de CO2 y justificar inversiones. En el sur, se priorizan especies alta tasa fotosintética sur bajo estrés hídrico; en el norte, bosques de crecimiento rápido.
Intervención Humana en el Ciclo del Carbono
Nadie duda que somos adictos a los combustibles fósiles. Nuestro peculiar estilo de producción y consumo interfiere directamente sobre el ciclo del carbono; incrementando, como efecto colateral, el cambio climático. Una vez llegado a este punto, es normal preguntarse por qué es importante el ciclo del carbono. Como ya se ha expuesto antes, se podría concluir que el carbono es vital para el funcionamiento de la biosfera y para regular el clima de la Tierra. No obstante, cuando se altera el ciclo natural del carbono y se aumenta su presencia en la atmósfera, entre otros aspectos, se empeora el efecto invernadero.
El ciclo de carbono, al igual que el resto de ciclos biogeoquímicos, es un ciclo de materia cerrado. No obstante, la influencia antropogénica asociada a las actividades industriales ha abierto el ciclo, además de acelerarlo, a través de la combustión de los recursos fósiles. Este hecho afecta al principio de sostenibilidad en el que los ecosistemas se basan, siendo el de reciclar al máximo la materia y que no se produzcan deshechos no asimilables a una velocidad perjudicial. A pesar de ser un ciclo cerrado y eficiente, las actividades humanas han introducido variables que el sistema no puede procesar a la misma velocidad. De acuerdo con el Boletín de Ciencias Agropecuarias del ICAP, factores como la deforestación y la industria reducen la capacidad de los ecosistemas para absorber CO₂. Para restaurar el equilibrio, es imperativo transitar hacia energías menos contaminantes.
A través de la combustión de los combustibles fósiles se emite CO2 a la atmósfera a una velocidad que los organismos fotosintéticos no pueden asimilar y retener. Era un carbono que se encontraba retenido en la litosfera y ahora se acumula en la atmósfera, incrementando el efecto invernadero. Además, el calentamiento global genera que los océanos aumenten su temperatura. El CO2 es un gas que se disuelve mejor en agua fría, por lo que si los océanos aumentan su temperatura, comenzarán a desprender más CO2 a la atmósfera, fomentándose un ciclo de retroalimentación positiva.
Gestión del Carbono y Sostenibilidad
La huella de carbono mide el impacto del estilo de vida de las personas o del funcionamiento de las instituciones basándose fundamentalmente en la cantidad de dióxido de carbono que produce y emiten a la atmósfera. Las emisiones de carbono registra la cantidad de gases de efecto invernadero que emitimos en nuestras actividades. Para intentar reducir estas emisiones se utiliza el término de compensaciones de carbono que un individuo o institución emite en la atmósfera. Una organización puede reducir las emisiones compensando esas emisiones al desarrollar proyectos que reduzcan las emisiones de carbono a la atmósfera.
La capacitación para seguir las entradas y salidas de carbono -captura por vegetación, emisiones por energía y movilidad, almacenamiento en suelos y materiales-, como base para la neutralidad climática real, es vital. En una institución, tras un curso, se creó un "balance de carbono campus" con mediciones anuales; en 3 años, la captura activa en suelos agrícolas aumentó un 210%. El balance de carbono anual hace visible lo invisible.
tags: #asimilacion #del #carbono #proceso