Los átomos que circulan: ciclos del carbono y del nitrógeno

“Un trabajo publicado en Nature Geoscience calculó que casi la mitad de la población mundial se alimenta gracias al nitrógeno que una fábrica saca del aire, porque el N₂ atmosférico es inservible para las plantas mientras nadie lo fije. Durante millones de años ese trabajo lo hicieron solo unas bacterias, y en ese mismo tiempo un átomo de carbono que hoy forma parte de tu mano pudo estar en el aire que respiraba un dinosaurio. Hoy seguimos los dos recorridos y vemos qué proceso mueve cada flecha.

Un ciclo biogeoquímico es el recorrido que hace un elemento químico entre los componentes vivos (bio) y no vivos (geo) de un ecosistema. La materia no se crea ni se destruye: se recicla una y otra vez.

Conviene distinguir dos cosas que muchas veces se confunden:

• La materia circula: los mismos átomos de C, N, O o H se reutilizan indefinidamente. Forman un ciclo cerrado.
• La energía fluye: entra como luz del Sol, pasa por los seres vivos y se pierde como calor. No vuelve: es un flujo en un solo sentido.

En cada ciclo prestaremos atención a tres ideas: dónde se acumula el elemento (reservorios), qué procesos lo mueven de un reservorio a otro, y qué papel cumplen los seres vivos en ese viaje, en especial las plantas y los microorganismos.

El carbono es el “esqueleto” de toda molécula de la vida (azúcares, proteínas, grasas, ADN). Se guarda en cuatro grandes reservorios: el CO₂ de la atmósfera, la biomasa (los cuerpos de los seres vivos), el carbono disuelto en el océano y los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas, que son restos de organismos de hace millones de años).

Cuatro procesos mueven el carbono entre esos reservorios:

• Fotosíntesis: las plantas, algas y cianobacterias toman CO₂ del aire y, con energía solar, lo transforman en materia orgánica (glucosa). Es la puerta de entrada del carbono a los seres vivos.
• Respiración celular: todos los seres vivos, plantas incluidas, degradan materia orgánica para obtener energía y liberan CO₂ de vuelta al aire.
• Descomposición: hongos y bacterias degradan restos y cadáveres, liberando el carbono almacenado como CO₂.
• Combustión: al quemar madera o combustibles fósiles, el carbono guardado durante millones de años vuelve rápidamente al aire como CO₂.

Cuidado con dos ideas equivocadas muy frecuentes:

• Es común pensar que “las plantas sacan su carbono del suelo por las raíces”. No es así: el carbono con que la planta construye su cuerpo entra por las hojas, como CO₂ del aire, gracias a la fotosíntesis. Del suelo la planta toma agua y sales minerales, pero no su carbono.
• También se cree que “solo los animales respiran”. Falso: las plantas también respiran (día y noche) para obtener energía. La diferencia es que, además, hacen fotosíntesis, que a plena luz captura mucho más CO₂ del que liberan al respirar.

El nitrógeno es indispensable: forma parte de las proteínas y del ADN de todo ser vivo. Y aquí hay una paradoja. El N₂ gaseoso representa el 78% del aire que respiramos… pero casi ningún ser vivo puede usarlo directamente.

¿Por qué? Porque la molécula de N₂ tiene un triple enlace entre sus dos átomos, extremadamente estable y difícil de romper. Para que el nitrógeno sirva a la vida, primero hay que fijarlo: transformarlo en formas aprovechables como el amonio (NH₄⁺) o el nitrato (NO₃⁻).

Los pasos del ciclo, casi todos a cargo de bacterias, son:

• Fijación: bacterias fijadoras transforman el N₂ del aire en amonio (NH₄⁺). Algunas viven libres en el suelo; otras son simbióticas, como las que habitan los nódulos de las raíces de las leguminosas (porotos, lentejas, trébol) y le entregan nitrógeno a la planta.
• Nitrificación: otras bacterias del suelo convierten el amonio en nitrato (NO₃⁻), la forma que las plantas absorben con más facilidad.
• Asimilación: las plantas absorben nitrato o amonio del suelo y lo usan para fabricar sus proteínas. Los animales obtienen nitrógeno al comer plantas u otros animales.
• Amonificación: al morir un organismo o al excretar, los descomponedores liberan el nitrógeno de las proteínas de vuelta al suelo como amonio.
• Desnitrificación: ciertas bacterias transforman el nitrato nuevamente en N₂ gaseoso, que regresa a la atmósfera y cierra el ciclo.

Cuidado con una idea equivocada muy frecuente:

• Suele pensarse que “como respiramos aire lleno de N₂, los seres vivos usamos ese nitrógeno directamente”. No: el N₂ que inhalamos lo exhalamos igual, sin usarlo. El nitrógeno solo entra a la vida cuando ha sido fijado primero por bacterias y convertido en amonio o nitrato.

Al comparar ambos ciclos aparece un patrón común. En los dos, unos pocos procesos biológicos mueven la materia entre el ambiente y los seres vivos, y en ambos los microorganismos son protagonistas silenciosos:

• La fotosíntesis abre la puerta del carbono a la vida; la fijación bacteriana abre la puerta del nitrógeno.
• La descomposición cierra los dos ciclos: sin hongos ni bacterias que degraden los restos, el carbono y el nitrógeno quedarían atrapados en cadáveres y el reciclaje se detendría.

Y una diferencia esencial que recorre toda la unidad: la materia circula (los mismos átomos vuelven a usarse), pero la energía fluye en un solo sentido (entra como luz, se pierde como calor). Por eso un ecosistema necesita un aporte continuo de energía solar, pero puede reciclar sus átomos indefinidamente.

La materia de la vida no es nuestra: la tomamos prestada del ambiente y la devolvemos. El carbono entra a los seres vivos por la fotosíntesis y vuelve al aire por la respiración, la descomposición y la combustión. El nitrógeno, tan abundante en el aire como N₂, solo entra a la vida cuando las bacterias lo fijan, y recorre el suelo pasando de amonio a nitrato, a las plantas, a los animales y de vuelta al ambiente. En ambos ciclos, plantas y microorganismos sostienen la circulación de la materia: dependemos unos de otros y del ecosistema completo.

El viaje sigue con otros dos elementos que también circulan: el agua, que se mueve rápido impulsada por el Sol, y el fósforo, guardado en las rocas y sin fase gaseosa. Sus recorridos se comparan con los de hoy.

1. 01Ministerio de Educación de Chile (2019). Programa de Estudio Biología, 1° Medio.
2. 02Campbell, N. et al. (2021). Biología. Editorial Médica Panamericana.
3. 03Khan Academy. El ciclo del carbono / El ciclo del nitrógeno. https://es.khanacademy.org
4. 04NASA Earth Observatory. The Carbon Cycle. https://earthobservatory.nasa.gov
5. 05Erisman, J. W., Sutton, M. A., Galloway, J., Klimont, Z. & Winiwarter, W. (2008). How a century of ammonia synthesis changed the world. Nature Geoscience, 1, 636-639.