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8.4: Ciclos de la materia en la biosfera - Biología

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8.4: Ciclos de la materia en la biosfera

Dominación humana de la biosfera: la rápida descarga de la batería tierra-espacio predice el futuro de la humanidad

La Tierra es una batería química donde, a lo largo del tiempo evolutivo con una carga de fotosíntesis que utiliza energía solar, miles de millones de toneladas de biomasa viva se almacenaron en bosques y otros ecosistemas y en vastas reservas de combustibles fósiles. Solo en los últimos cientos de años, los humanos extrajeron energía explotable de estos combustibles de biomasa vivos y fosilizados para construir la economía industrial-tecnológica-informacional moderna, para hacer crecer nuestra población a más de 7 mil millones y para transformar los ciclos biogeoquímicos y la biodiversidad del mundo. tierra. Esta rápida descarga de la reserva de energía orgánica de la tierra alimenta la dominación humana de la biosfera, incluida la conversión de hábitats naturales en campos agrícolas y la pérdida resultante de especies nativas, la emisión de dióxido de carbono y el cambio resultante del clima y el nivel del mar, y el uso de fuentes suplementarias de energía nuclear, hidráulica, eólica y solar. Las leyes de la termodinámica que gobiernan la carga lenta y la descarga rápida de la batería de la tierra son universales y absolutas; la tierra solo se encuentra temporalmente a una distancia cuantificable del equilibrio termodinámico del espacio exterior. Aunque esta distancia del equilibrio comprende todos los tipos de energía, lo más crítico para los seres humanos es el almacenamiento de biomasa viva. Con el rápido agotamiento de esta energía química, la Tierra está regresando al inhóspito equilibrio del espacio exterior con ramificaciones fundamentales para la biosfera y la humanidad. Debido a que no hay energía sustitutiva o de reemplazo para la biomasa viva, se desconoce la distancia restante del equilibrio que será necesaria para sustentar la vida humana.


Importancia del ciclo biogeoquímico para el ecosistema

A nivel de ecosistema, los ciclos biogeoquímicos realizan una variedad de funciones.

Durante el proceso del ciclo del nitrógeno, el nitrógeno atmosférico se transforma en nitratos y otras formas químicas con la ayuda de bacterias fijadoras de nitrógeno.

Durante el ciclo hidrológico o del agua, se produce la transformación de las moléculas de agua de un estado de la materia a otro. El ciclo del agua implica varios procesos como la evaporación, la condensación, el derretimiento del hielo, la sublimación, la precipitación, etc. Con la ayuda del ciclo del agua, el agua de diferentes fuentes, como el agua congelada, el agua del océano y el agua subterránea, se recicla y se libera. a la atmósfera a través del proceso de evapotranspiración que utilizan numerosas especies vivas.

El ciclo del oxígeno y el ciclo del dióxido de carbono son el ciclo más importante entre los demás ciclos biogeoquímicos, ya que ayudan a la supervivencia de las vidas en el planeta tierra. El dióxido de carbono atmosférico es la única fuente de carbono y es el único componente básico de todos los compuestos orgánicos.

De acuerdo con la diagrama del ciclo del carbono, está claro que todas las plantas terrestres utilizan el dióxido de carbono atmosférico disponible como su fuente de carbono para la fotosíntesis al liberar el oxígeno, que es reutilizado por todos los animales y humanos durante el proceso aeróbico de la respiración.

Esta fue una breve información relacionada con por qué el ciclo biogeoquímico es importante para el ecosistema. Para obtener más información sobre los diferentes ciclos biogeoquímicos y su importancia para el ecosistema, los estudiantes pueden visitar nuestro sitio web BYJU’S y también disfrutar viendo varios videos interesantes relacionados con la biología suscribiéndose a nuestros canales de YouTube.


Ejemplos de biosfera

La biosfera está formada por organismos vivos y el entorno físico. El entorno físico comprende los componentes no vivos como la sustancia rocosa de la corteza terrestre, el agua, la luz y el gas atmosférico.

Todas las formas de vida en la biosfera se clasifican en diferentes capas de complejidad. Las capas van desde un organismo individual hasta poblaciones y ecosistemas. Un ecosistema abarca todos los seres vivos en un área determinada, más todos los componentes no vivos de esa área.

Los ecosistemas se pueden dividir en varios biomas principales. Cada bioma se caracteriza por un tipo específico de geografía, clima y vegetación. Ejemplos de biomas dentro de la biosfera incluyen:


Cambio climático y pérdida de biodiversidad

El cambio climático contemporáneo y la pérdida de biodiversidad no son fenómenos aislados sino síntomas de la expansión masiva de la dimensión humana en el Antropoceno. El sistema climático juega un papel central para la vida en la Tierra. Establece los límites de nuestras condiciones de vida. El sistema climático es parte integral de todos los demás componentes del sistema terrestre, a través del intercambio de calor en el océano, la dinámica del albedo de las capas de hielo, los sumideros de carbono en los ecosistemas terrestres, los ciclos de nutrientes y contaminantes y el forzamiento del clima a través de los flujos de evapotranspiración en el ciclo hidrológico. y contaminantes de efecto invernadero. Juntas, estas interacciones en el sistema de la Tierra interactúan con el intercambio de calor del sol y el flujo de retorno al espacio, pero también de manera significativa con las retroalimentaciones de la biosfera y el clima que mitigan o amplifican el calentamiento global. Estas dinámicas globales interactúan con sistemas ambientales regionales (como ENSO o el sistema monzónico) que tienen patrones innatos de variabilidad climática y también interactúan entre sí a través de teleconexiones (Steffen et al. 2020). Los organismos vivos de los ecosistemas del planeta juegan un papel importante en estas complejas dinámicas (Mace et al. 2014).

Ahora, el calentamiento global inducido por el hombre altera la capacidad del océano, los bosques y otros ecosistemas para secuestrar aproximadamente la mitad del CO2.2 emisiones, además de almacenar grandes cantidades de gases de efecto invernadero (GEI) en suelos y turberas (Steffen et al.2018). El aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero por parte de los seres humanos está creando graves conmociones climáticas y extremos que ya tienen un calentamiento de 1,2 ° en comparación con los niveles preindustriales (OMM 2020). Además, la homogeneización humana y la simplificación de los paisajes terrestres y marinos provocan la pérdida de la resiliencia de la biosfera, con la consiguiente erosión del papel del tejido de la naturaleza en la generación de servicios ecosistémicos (Díaz et al. 2018) y sirven como seguro para los choques, las sorpresas y las propinas. puntos y cambios de régimen (Nyström et al. 2019).

Cambio climático: más fuerte y más rápido de lo previsto

La Tierra ha estado oscilando entre períodos más fríos y más cálidos durante un millón de años (todo el Pleistoceno), pero la temperatura media media nunca ha superado los 2 ° C (interglacial) por encima o 6 ° C por debajo (edad de hielo profunda) de la temperatura preindustrial en Tierra (14 ° C), lo que refleja la importancia de la retroalimentación de la biosfera viviente como parte de la regulación de la dinámica de la temperatura de la Tierra (Willeit et al. 2019) (Fig. 3b).

La época del Holoceno y la resistencia de la Tierra. A) Datos de núcleos de hielo de Vostok, Antártida, de los últimos 100 000 años en relación con la migración humana y la civilización. El círculo rojo marca los últimos 11 000 años de la acomodada época del Holoceno. B) La temperatura global de los últimos 3 millones de años oscila entre + 2 ° C y -6 ° C en relación con la temperatura preindustrial (la línea 0). Las observaciones de los datos proxy de núcleos de hielo y anillos de árboles en negro y el modelado dan como resultado interacciones que reflejan en azul las interacciones entre la biosfera y el sistema terrestre en general. La evidencia sugiere que los niveles actuales de calentamiento antropogénico han forzado al sistema terrestre a salir de las condiciones climáticas del Holoceno al Antropoceno. Existe un consenso cada vez mayor de que empujar el sistema de la Tierra a más de 2 ° C de calentamiento en comparación con los niveles preindustriales constituye un terreno desconocido para las sociedades contemporáneas y una amenaza para la civilización (Steffen et al. 2018). Figura 3A de W. Steffen, fuente y datos de Petit et al. (1999) y Oppenheimer (2004). Figura 3B adaptada de Willeit et al., Sci. Adv. 2019 5 : eaav7337. © Los Autores, algunos derechos reservados al licenciatario exclusivo AAAS. Distribuido bajo una licencia CC BY 4.0

El calentamiento global inducido por el hombre no tiene paralelo. Para el 98% de la superficie del planeta, el período más cálido de los últimos 2000 años ocurrió a fines del siglo XX (Neukom et al. 2019) y ha aumentado constantemente hasta el siglo XXI, siendo la temperatura global promedio para 2015-2020 la más cálido de cualquier período equivalente registrado (OMM 2020). Ya ahora con un calentamiento de 1.2 ° C en comparación con los niveles preindustriales, parece que nos estamos moviendo fuera del entorno complaciente del Holoceno que permitió el desarrollo de la agricultura y las sociedades humanas complejas (Steffen et al. 2018) (Fig. 3a). Ya en los próximos 50 años, se prevé que entre 1 y 3 mil millones de personas experimenten condiciones de vida que están fuera de las condiciones climáticas que han servido bien a la humanidad durante los últimos 6000 años (Xu et al. 2020).

Actualmente, alrededor del 55% de las emisiones antropogénicas globales que causan el calentamiento global se derivan de la producción de energía y su uso en edificios y transporte. El 45% restante proviene de las emisiones humanas que surgen de la gestión del suelo y la producción de edificios, vehículos, electrónica, ropa, alimentos, embalajes y otros bienes y materiales (Fundación Ellen MacArthur 2019). El sistema alimentario en sí representa aproximadamente el 25% de las emisiones (Mbow et al. 2019). El cambio de uso de la tierra impulsado por el ser humano a través de la agricultura, la silvicultura y otras actividades (Lambin y Meyfroidt 2011) causa aproximadamente el 14% de las emisiones (Friedlingstein et al. 2020). Las ciudades representan alrededor del 70% del CO2 emisiones provenientes del uso de energía final y las 100 áreas urbanas con mayor emisión para el 18% de la huella de carbono global (Seto et al.2014 Moran et al.2018). Aproximadamente el 70% de las emisiones industriales de gases de efecto invernadero están vinculadas a 100 empresas productoras de combustibles fósiles (Griffin y Hede 2017). En conjunto, los 10 países emisores principales representan las tres cuartas partes de las emisiones mundiales de GEI, mientras que los 100 países inferiores representan solo el 3,5% (WRI 2020). Como consecuencia de la pandemia, el CO fósil global2 las emisiones en 2020 disminuyeron en aproximadamente un 7% en comparación con 2019 (Friedlingstein et al. 2020).

Los impactos del cambio climático están afectando a las personas con más fuerza y ​​antes de lo previsto hace una década (Diffenbaugh 2020). Esto es especialmente cierto para los eventos extremos, como olas de calor, sequías, incendios forestales, precipitaciones extremas, inundaciones, tormentas y variaciones en su frecuencia, magnitud y duración. La distribución y los impactos de los eventos extremos suelen ser específicos de una región (Turco et al.2018 Yin et al.2018). Por ejemplo, Europa ha experimentado varias olas de calor extremo desde 2000 y el número de olas de calor, aguaceros y huracanes importantes, y la fuerza de estos eventos, ha aumentado en los Estados Unidos. El riesgo de incendios forestales en Australia ha aumentado al menos un 30% desde 1900 como resultado del cambio climático antropogénico (van Oldenborgh et al. 2020). Los últimos años de repetidos incendios forestales en el oeste de EE. UU. Y Canadá han tenido efectos devastadores (McWethy et al.2019). Los eventos extremos tienen el potencial de ampliar las desigualdades existentes dentro y entre países y regiones (PNUD 2019). En particular, los extremos sincrónicos son riesgosos en un mundo conectado globalmente y pueden causar interrupciones en la producción mundial de alimentos (Cottrell et al.2019 Gaupp et al.2020). Las pandemias, como el brote de COVID-19 y las respuestas de salud asociadas, se cruzan con los peligros climáticos y se ven agravadas por la crisis económica y las disparidades socioeconómicas y raciales de larga data, tanto dentro de los países como entre las regiones (Phillips et al.2020).

Algunos de estos cambios ocurrirán de forma continua y gradual a lo largo del tiempo, mientras que otros tomarán la forma de cambios más repentinos y sorprendentes (Cumming y Peterson 2017). Además, algunos son hasta cierto punto predecibles, otros más inciertos e inesperados. Un análisis de una gran base de datos de cambios de régimen socio-ecológico (grandes cambios en la estructura y función de los sistemas socio-ecológicos, transiciones que pueden tener impactos sustanciales en las economías y sociedades humanas) sugiere que en el mundo entrelazado un cambio puede conducir a otro, o que los eventos pueden coexistir porque simplemente comparten el mismo impulsor (Rocha et al.2018). Las transiciones a gran escala pueden desarrollarse cuando una serie de elementos vinculados están todos cerca de un punto de inflexión, lo que facilita que una transición desencadene las otras como una reacción en cadena o un efecto dominó (Scheffer et al.2012 Lenton et al.2019) .

Con el aumento del calentamiento, la humanidad corre el riesgo de apartarse de la dinámica glaciar-interglacial de los últimos 2,6 millones de años (Burke et al. 2018). Si los esfuerzos por limitar las emisiones fracasan, se espera que la temperatura media mundial para 2100 aumente entre 3 y 5 ° C (IPCC 2014) por encima de los niveles preindustriales. Aunque las temperaturas globales más altas han ocurrido en tiempos geológicos profundos, vivir en una biosfera con una temperatura global anual media superior a 2 ° C del promedio preindustrial (Fig.3) es un terreno en gran parte desconocido para la humanidad y ciertamente un terreno nuevo para la sociedad contemporánea.

La interacción entre el clima y la biosfera

La relación entre el clima y la biosfera está siendo profundamente alterada y remodelada por la acción humana. La cantidad total de carbono almacenado en los ecosistemas terrestres es enorme, casi 60 veces mayor que las emisiones anuales actuales de GEI (CO2 equivalentes, 2017) por humanos, y con la mayor parte, alrededor del 70% (1500–2400 Gt C) se encuentra en el suelo (Ciais et al. 2013). El océano tiene una reserva de carbono mucho mayor, con unas 38 000 Gt de carbono (Houghton 2007). Hasta ahora, los ecosistemas terrestres y marinos han servido como importantes sumideros de dióxido de carbono y, por lo tanto, contribuyen significativamente a estabilizar el clima. A la temperatura promedio global actual, el océano absorbe aproximadamente el 25% de las emisiones anuales de carbono (Gruber et al. 2019) y absorbe más del 90% del calor adicional generado por esas emisiones. Los ecosistemas terrestres como los bosques, los humedales y los pastizales se unen al dióxido de carbono a través del crecimiento y, en general, secuestran cerca del 30% del CO antropogénico.2 emisiones (Global Carbon Project 2019).

La estabilización del clima de la biosfera es un servicio del ecosistema crítico, o servicio del sistema terrestre, que no puede darse por sentado. Investigaciones recientes han demostrado que no solo el cambio en el uso de la tierra por parte de los seres humanos, sino también los impactos climáticos, como los eventos extremos y el cambio de temperatura, amenazan cada vez más los sumideros de carbono. Por ejemplo, los grandes incendios en Borneo en 1997 liberaron un equivalente del 13% al 40% de las emisiones de carbono globales anuales medias de los combustibles fósiles en ese momento (Page et al. 2002 Folke et al. 2011). Los devastadores incendios forestales de 2019 en Australia, Indonesia y el Amazonas provocaron emisiones equivalentes a casi el 40% del sumidero de carbono global anual en tierra y en el océano (www.globalfiredata.org).

El sistema de la Tierra contiene varios subsistemas biofísicos que pueden existir en múltiples estados y que contribuyen a la regulación del estado del planeta en su conjunto (Steffen et al. 2018). Estos llamados elementos basculantes, o gigantes dormidos (Fig. 4), han sido identificados como críticos para mantener al planeta en condiciones favorables similares al Holoceno. Estos ahora se ven desafiados por el calentamiento global y las acciones humanas, que amenazan con desencadenar retroalimentaciones que se refuerzan a sí mismas y efectos en cascada, que podrían empujar al sistema terrestre hacia un umbral planetario que, si se cruza, podría evitar la estabilización del clima en un calentamiento global intermedio y causar una escalada. cambio climático a lo largo de una ruta de "Tierra de invernadero" incluso cuando se reducen las emisiones humanas (Steffen et al. 2018). Las observaciones encuentran que nueve de estos gigantes durmientes conocidos, que se cree que son razonablemente estables, ahora están experimentando cambios a gran escala ya en los niveles actuales de calentamiento, con posibles efectos dominó por venir (Lenton et al.2019).

Elementos fundamentales en la regulación del estado del planeta e identificaron interacciones entre ellos que, para la humanidad, podrían causar graves efectos en cascada e incluso desafiar la estabilidad planetaria (basado en Steffen et al.2018 Lenton et al.2019). Además, la acidificación de los océanos, la desoxigenación, los ciclones tropicales, las olas de calor del océano y el aumento del nivel del mar son un desafío para el bienestar humano (Pörtner et al. 2019).

La importancia del desafío de mantener el calentamiento global en línea con el objetivo climático de París es obvia. De hecho, el desafío es más amplio que el clima por sí solo. Se trata de navegar hacia un espacio operativo seguro que depende de mantener un alto nivel de resiliencia de la Tierra. Los ajustes incrementales y los ajustes marginales no serán suficientes. Las grandes transformaciones hacia un futuro justo y sostenible son el camino brillante a seguir.

La biosfera viviente y la dinámica del sistema terrestre

Las interacciones y la diversidad de organismos dentro y a través de los ecosistemas del planeta desempeñan un papel fundamental en la coevolución de la biosfera y el sistema terrestre en general. Por ejemplo, los principales biomas como los bosques tropicales y templados y su diversidad biológica transpiran vapor de agua que conecta regiones distantes a través de la precipitación (Gleeson et al. 2020a, b). Casi una quinta parte de la precipitación promedio anual que cae sobre la tierra proviene del reciclaje de humedad regulado por la vegetación, y varios lugares reciben casi la mitad de su precipitación a través de este servicio de ecosistema. Tales conexiones de agua son críticas para las regiones semiáridas que dependen de la producción agrícola de secano y para el suministro de agua a las principales ciudades como Sao Paulo o Río de Janeiro (Keys et al. 2016). Hasta 19 megaciudades dependen para más de un tercio de su suministro de agua del vapor de agua de la tierra, una dependencia especialmente relevante durante los años secos (Keys et al. 2018). En algunas de las cuencas hidrográficas más grandes del mundo, las precipitaciones se ven más influidas por el cambio de uso de la tierra que tiene lugar fuera de la cuenca hidrográfica que dentro de ella (Wang-Erlandsson et al. 2018).

La biosfera contiene ecosistemas que sustentan la vida y que suministran servicios ecosistémicos esenciales que sustentan el bienestar humano y el desarrollo socioeconómico. Por ejemplo, la biosfera influye fuertemente en las composiciones químicas y físicas de la atmósfera, y la biodiversidad contribuye a través de su influencia en la generación y mantenimiento de suelos, el control de plagas, la polinización de cultivos alimentarios y la participación en ciclos biogeoquímicos (Daily 1997). Las redes tróficas del océano, las plataformas continentales y los estuarios sustentan la producción de mariscos, sirven como sumideros de gases de efecto invernadero, mantienen la calidad del agua y se protegen contra cambios inesperados del ecosistema por causas naturales o antropogénicas (Worm et al. 2006). Estos servicios representan funciones críticas de soporte vital para la humanidad (Odum 1989 Reyers y Selig 2020) y la diversidad biológica juega un papel fundamental en las contribuciones de esta naturaleza a las personas (Díaz et al. 2018).

La biodiversidad desempeña un papel fundamental en la resiliencia de la biosfera

Los organismos no solo existen y compiten, desempeñan funciones críticas en la dinámica de los ecosistemas y en la creación y provisión de resiliencia socioecológica (Folke et al.2004 Hooper et al.2005 Tilman et al.2014) (Fig.5). La resiliencia se refiere a la capacidad de un sistema para persistir con el cambio, para continuar desarrollándose con entornos en constante cambio (Reyers et al. 2018).

La biodiversidad juega un papel importante en la resiliencia de la biosfera. Puma, Kay Pacha 2017, pintura y cortesía de Angela Leible

La biodiversidad juega un papel importante en la amortiguación de choques y eventos extremos, y en la dinámica de cambio de régimen (Folke et al. 2004). La diversidad de grupos funcionales y rasgos de especies y poblaciones son esenciales para la integridad del ecosistema y la generación de servicios del ecosistema (Peterson et al. 1998 Hughes et al. 2007 Isbell et al. 2017). La variación en las respuestas de las especies que desempeñan la misma función es crucial para la resiliencia a los choques o eventos extremos (Chapin et al. 1997). Dicha “diversidad de respuesta” sirve como seguro para la capacidad de los ecosistemas para regenerarse, continuar desarrollándose después de una perturbación y apoyar el bienestar humano (Elmqvist et al. 2003).

La selva amazónica es un buen ejemplo. La conservación de una diversidad de especies de plantas puede permitir que los bosques amazónicos se adapten a las nuevas condiciones climáticas y proteger la función crítica de sumidero de carbono (Sakschewski et al. 2016). Los eventos frecuentes de sequía extrema tienen el potencial de desestabilizar grandes partes de la selva amazónica, especialmente cuando la humedad del subsuelo es baja (Singh et al.2020), pero el riesgo de pérdida de bosque autoamplificada se reduce con una mayor heterogeneidad en la respuesta de los parches de bosque a lluvia reducida (Zemp et al.2017). Sin embargo, es probable que la deforestación continua y el calentamiento simultáneo empujen al bosque hacia puntos de inflexión con implicaciones de amplio alcance (Hirota et al.2011 Staver et al.2011 Lovejoy y Nobre 2018). Además, con una mayor variabilidad climática, la longevidad de los árboles se acorta, lo que influye en la acumulación de carbono y el papel de la selva amazónica como sumidero de carbono (Brienen et al. 2015). Un cambio a gran escala del Amazonas causaría impactos importantes en el bienestar fuera de la cuenca del Amazonas a través de cambios en las precipitaciones y la regulación del clima, y ​​al vincularse con otros elementos de inflexión en el sistema de la Tierra (Fig. 4).

Por lo tanto, la resiliencia de los ecosistemas multifuncionales en el espacio y el tiempo, y tanto en los ambientes acuáticos como terrestres, depende de las contribuciones de muchas especies y de su distribución, redundancia y riqueza a niveles multitróficos que desempeñan funciones críticas en los ecosistemas y la dinámica de la biosfera (Mori et al. al.2013 Nash et al.2016 Soliveres et al.2016 Frei et al.2020). La biodiversidad y una biosfera resiliente son un reflejo de la vida que se enfrenta continuamente a la incertidumbre y lo desconocido. La diversidad construye y sostiene los seguros y mantiene los sistemas resistentes a las circunstancias cambiantes (Hendershot et al. 2020).

Homogeneización, hiperconectividad y transiciones críticas

La conversión y degradación de los hábitats ha provocado la disminución y la difamación de la biodiversidad global (pérdida de animales causada por el hombre), con efectos extensos en cascada en los ecosistemas marinos, terrestres y de agua dulce como resultado, y funciones y servicios de los ecosistemas alterados (Laliberte et al.2010 Estes et al. al.2011). Durante los últimos 50 años de aceleración humana, la capacidad de la naturaleza para apoyar la calidad de vida ha disminuido en el 78% de las 18 categorías de contribuciones de la naturaleza a las personas consideradas por la Plataforma Intergubernamental de Ciencia y Política sobre Biodiversidad y Servicios de los Ecosistemas (Díaz et al. 2018).

Gran parte de la biosfera de la Tierra se ha convertido en ecosistemas de producción, es decir, ecosistemas simplificados y homogeneizados para la producción de una o unas pocas especies aprovechables (Nyström et al. 2019). La urbanización es una fuerza para homogeneizar y alterar la biodiversidad en paisajes terrestres y marinos (Seto et al.2012b), y durante la última década el cambio de uso de la tierra (Meyfroidt et al.2018) representó casi una cuarta parte de todas las emisiones antropógenas de gases de efecto invernadero (Arneth et al.2019).

El aumento de la homogeneidad en todo el mundo denota el establecimiento de un suministro de alimentos estándar mundial, que es relativamente rico en especies a nivel nacional, pero pobre en especies a nivel mundial (Khoury et al. 2014). A nivel mundial, las variedades y razas locales de plantas y animales domesticados están desapareciendo (Díaz et al. 2018). La intensificación del uso de la tierra homogeneiza la biodiversidad en conjuntos locales de especies en todo el mundo (Newbold et al. 2018) y contrarresta una asociación positiva entre la riqueza de especies y la calidad de la dieta. También afecta los servicios de los ecosistemas y el bienestar en países de ingresos bajos y medianos (Lachat et al.2018 Vang Rasmussen et al.2018). En gran parte del mundo, más de la mitad, hasta el 90%, de las variedades adaptadas localmente de las principales especies de cultivos (por ejemplo, trigo y arroz) se han perdido debido al reemplazo por variedades únicas de alto rendimiento (Heal et al. 2004).

La simplificación e intensificación de los ecosistemas de producción y su estrecha conectividad con los mercados internacionales han dado lugar a un ecosistema de producción global que es muy eficiente en la entrega de bienes a los mercados, pero globalmente homogéneo, altamente interconectado y caracterizado por retroalimentaciones internas debilitadas que enmascaran o diluyen las señales de pérdida de la resiliencia del ecosistema para los consumidores (Nyström et al.2019 Ortiz et al.2021). Además, la red mundial de comercio de alimentos se ha deslocalizado progresivamente en los últimos 20 años como resultado de la globalización (es decir, la modularidad se ha reducido) y a medida que aumentan la conectividad y la homogeneidad, los choques que antes estaban contenidos dentro de un área geográfica o un sector. se están volviendo globalmente contagiosas y más prevalentes (Tamea et al.2016 Tu et al.2019 Kummu et al.2020).

La homogeneización reduce la resiliencia, la capacidad de vivir y desarrollarse con el cambio y la incertidumbre y, por lo tanto, la diversidad de formas en que las especies, las personas, los sectores y las instituciones pueden responder al cambio, así como su potencial para complementarse funcionalmente entre sí (Biggs et al. 2012 Grêt-Regamey et al.2019 Nyström et al.2019). Además, los paisajes homogéneos carecen de la diversidad de tipos de ecosistemas para respuestas resilientes cuando un solo parche de paisaje homogéneo, como un bosque de producción o un cultivo, es devastado por patógenos o disminuye su valor económico. Además, dicha simplificación y degradación del ecosistema aumenta la probabilidad de aparición de enfermedades, incluidos virus nuevos (Myers y Patz 2009). Paralelamente, las personas, los lugares, las culturas y las economías están cada vez más vinculados a través de ubicaciones geográficas y contextos socioeconómicos, lo que hace que las personas y el planeta estén entrelazados a todas las escalas.

La evidencia sugiere que la homogeneización, la simplificación, la intensificación, las conexiones fuertes, así como la supresión de la varianza, aumentan la probabilidad de cambios de régimen o transiciones críticas con umbrales y puntos de inflexión (Scheffer et al. 2012 Carpenter et al. 2015). Estos cambios pueden interactuar y caer en cascada, provocando así cambios a muy grandes escalas con graves implicaciones para el bienestar de las sociedades humanas (Hughes et al. 2013 Rocha et al. 2018). La comparación del alcance actual de la conversión de la biosfera con los cambios de régimen a escala global anteriores sugiere que el cambio de régimen de la biosfera a escala global es más que plausible (Barnosky et al. 2012). El sello biótico de cada cambio de régimen de la biosfera anterior fue un cambio pronunciado en los conjuntos de especies globales, regionales y locales (Barnosky et al. 2012).

Límites planetarios y un espacio operativo seguro para la humanidad

Es de interés propio de la humanidad evitar empujar a los ecosistemas o al sistema terrestre entero a través de puntos de inflexión. Por lo tanto, un desafío importante es mejorar la resiliencia de la biosfera y trabajar para estabilizar el sistema de la Tierra y su biosfera en un estado que, con suerte, sea seguro para que la humanidad opere dentro, aunque sea un estado más cálido que el Holoceno y uno con una biosfera dominada por humanos. . Claramente, el sistema climático y la diversidad biológica y la integridad funcional de la biosfera, así como su interacción, son fundamentales para cultivar un sistema terrestre resiliente.

La integridad del clima y la biosfera constituyen las dos dimensiones fundamentales del marco de los límites planetarios, que delimita un estado del sistema terrestre similar al del Holoceno, el estado que ha permitido que las civilizaciones emerjan y florezcan (Fig. 6). Se estima que cuatro de los nueve límites, incluidos el clima y la biodiversidad, ya se han transgredido. El marco proporciona una observación basada en las ciencias naturales de que el forzamiento humano ya, a escala planetaria, ha empujado rápidamente al sistema terrestre lejos de las condiciones similares al Holoceno y hacia una trayectoria acelerada del Antropoceno (Steffen et al.2018).

(adaptado de Steffen et al. 2015). Reimpreso con permiso

Los nueve límites planetarios identificados. La zona verde es el espacio de operación segura (debajo del límite), el amarillo representa la zona de incertidumbre (riesgo creciente) y el rojo es la zona de alto riesgo. En estas zonas potencialmente peligrosas de riesgo creciente, es probable que existan puntos de inflexión continentales y globales para algunas de las fronteras, aunque no para todas. El límite planetario en sí se encuentra en el círculo pesado interno. Un límite propuesto no representa un punto de inflexión o un umbral, sino que se coloca aguas arriba, es decir, mucho antes del riesgo de cruzar un umbral crítico. La intención de este amortiguador entre el límite y un umbral potencial en la zona peligrosa es permitir que la sociedad tenga tiempo para reaccionar a las señales de advertencia tempranas de un cambio abrupto o arriesgado que se aproxima. Los procesos para los que no se cuantifican los límites a nivel global están representados por cuñas grises

En los últimos años, se han realizado varios esfuerzos para investigar más y profundizar la comprensión de los límites planetarios y el espacio operativo seguro para la humanidad. Estos incluyen actualizaciones sobre el límite de la biodiversidad, el límite del agua dulce, los flujos biogeoquímicos (Carpenter y Bennett 2011 de Vries et al. 2013 Mace et al. 2014 Newbold et al. 2016 Gleeson et al. 2020b), múltiples cambios de régimen y posibles vínculos entre puntos de inflexión regionales y planetarios (Anderies et al.2013 Hughes et al.2013), perspectivas regionales sobre el marco (Häyhä et al.2016 O'Neill et al.2018) y creación de espacios operativos seguros (Scheffer et al.2015 ). Los intentos de cuantificar las interacciones entre los límites planetarios sugieren que las cascadas y las retroalimentaciones amplifican predominantemente los impactos humanos en el sistema terrestre y, por lo tanto, reducen el espacio operativo seguro para las acciones humanas en el Antropoceno (Lade et al. 2020).

También hay propuestas para integrar el marco de los límites planetarios con las dimensiones económicas, sociales y humanas (Raworth 2012 Dearing et al.2014 Downing et al.2019), así como abordar los desafíos de política y gobernanza asociados con el enfoque (Biermann et al. 2012 Galaz et al.2012 Sterner et al.2019 Pickering y Persson 2020 Engström et al.2020). El sistema alimentario global también se ubica dentro del marco de los límites planetarios (Gordon et al.2017), como en el informe de la Comisión EAT-Lancet sobre dietas saludables a partir de sistemas alimentarios sostenibles para casi 10 mil millones de personas para 2050 (Willett et al.2019). ).

A la luz de los profundos desafíos de navegar por el futuro de las sociedades humanas hacia un estado terrestre estabilizado, queda claro que es poco probable que los ajustes modestos en las vías actuales de desarrollo social guíen a la humanidad hacia futuros sostenibles (Kates et al. 2012). Estabilizar el sistema de la Tierra en un espacio operativo seguro requerirá cambios transformadores en muchas dimensiones de las acciones y relaciones humanas (Westley et al.2011 Sachs et al.2019).


Ejemplos de ciclos biogeoquímicos

El planeta funciona bajo las restricciones de la ley de conservación de la materia, que básicamente dice que la materia en la Tierra no se puede crear ni destruir, sino solo transferir. Por tanto, los ciclos biogeoquímicos del planeta son los mecanismos que provocan la transferencia de materia.

La única excepción a esta introducción de materia nueva en el sistema cerrado del planeta son los meteoros, la radiación solar y otras formas de desechos del espacio que ocasionalmente se incorporan a la materia del planeta. Otherwise, all matter on Earth is simply moved and transformed, but is not created and is not wholly destroyed into nonexistence.

The term "biogeochemical cycle" comes from the biological, geological, and chemical processes that cause this transfer of matter to occur. Since these different cycles are naturally occurring, for the most part, they've long been considered natural cycles.

Humans have had tremendous impact on the planet's biogeochemical cycles, largely for harm. Artificial processes such as the synthesis of phosphorous into fertilizer that is then introduced into the soil have shifted some of the balance that these cycles already regulate.

1. Carbon cycle - Carbon is arguably one of the most important elements on Earth, and is necessary for life. The carbon cycle describes the process by which organisms decay into the ground, returning carbon to the soil, which then becomes bottom-layer food sources in the food chain.

2. Oxygen cycle - This cycle describes the transfer of oxygen between the atmosphere, biosphere, and lithosphere, specifically in the use of oxygen by living beings in the biosphere drawn from the atmosphere, and the release of oxygen through photosynthesis.

3. Water cycle - This important biogeochemical cycle is so vital to sustainability that it is taught to students even in early elementary school. This cycle describes the accumulation of water on Earth, notably in lakes, oceans, and rivers, then the evaporation of water and the condensation of the water into clouds where it precipitates back into the bodies of water and the ground water supply.

4. Sedimentary cycles - While the previous examples were part of the gaseous cycles, the sedimentary cycles are more concerned with how elements are leeched out of the soil and rock layers, largely through the movement of water on the planet. Some of these elements are phosphorous and sulfur, but other elements accumulate or disperse in different places due to the movement of water through the water cycle or through rivers and erosion.


Bio-Geo-Chemical

Guau. Talk about a word that describes everything on Earth. The world’s cycles all fall under the big grouping of biogeochemical cycles. Let's break it down.

BIO: Biología. Vida. Living things. The biological elements of these cycles play a role in the lives of organisms. The cycles might limit the organisms of Earth or they might happen alongside, changing the environment. For example, when oxygen (O) is found in you or in a plant, it is in the biological phase of its cycle. When a substance is in this portion of a cycle, it is in a biotic phase.

GEO: Tierra. Rocas. Tierra. Aire. The 'geo' portions of the cycles refer to the non-living or abiotic phases. For example, oxygen cycles through many systems. When oxygen winds up in rocks as iron oxide (FeO) or a crystal, it is in the 'geo' part of its cycle.

CHEMICAL: Molecules. Reactions. Atoms. These are the chemical factors involved in the cycles. Complete molecules are not always passed from one point to the next. Chemical reactions change the molecules by building and breaking chemical bonds. These chemical interactions may be small, but they are very important.

Oxygen, for example, is included in all oxidación reacciones. One minute oxygen might be in the air and then it is involved in rusting an iron pipe. Carbon (C) offers another important example of chemical factors involved in a cycle. Dióxido de carbono (CO2) is found in the atmosphere. It is ‘fixed’ into sugar molecules when plants go through photosynthesis. It moves from an inorganic form to an organic and biologically useful form.

Most of the cycles we discuss will involve the reciclaje of molecules and nutrients that can be used in systems over and over again. You need to remember that all cycles involve biological, geological, and chemical elements.






Ciclos de nutrientes

A nutrient cycle refers to the movement and exchange of organic and inorganic matter back into the production of living matter. The process is regulated by the food web pathways previously presented, which decompose organic matter into inorganic nutrients. Nutrient cycles occur within ecosystems. Nutrient cycles that we will examine in this section include water, carbon, oxygen and nitrogen cycles.

A simple video explaining nutrient cycling:

Water cycle (ESGBD)

Over two thirds of the Earth's surface is covered by water. It forms an important component of most life forms, with up to ( ext<70>\%) of plants and animals being composed of water. Vast quantities of water cycle through Earth's atmosphere, oceans, land and biosphere. This cycling of water is called the agua o hydrological ciclo. The cycling of water is important in determining our weather and climate, supports plant growth and makes life possible.

Evaporation: Most water evaporates from the oceans, where water is found in highest abundance. However some evaporation also occurs from lakes, rivers, streams and following rain.

Transpiración: Is the water loss from the surface area (particularly the stomata) of plants. Transpiration accounts for a massive ( ext<50>\%) of land-based evaporation, and ( ext<10>\%) of total evaporation.

Evapotranspiración: The processes of evaporation and transpiration are often collectively referred to as evapotranspiration.

Condensación: The process by which water vapour is converted back into liquid is called condensation. You may have observed a similar process occurring when dew drops form on a blade of grass or on cold glass. Water in the atmosphere condenses to form clouds.

Precipitación: Water returns to Earth through precipitation in the form of rain, sleet, snow or ice (hail). When rain occurs due to precipitation, most of it runs off into lakes and rivers while a significant portion of it sinks into the ground.

Infiltración: The process through which water sinks into the ground is known as infiltration and is determined by the soil or rock type through which water moves. During the process of sinking into the Earth's surface, water is filtered and purified. Depending on the soil type and the depth to which the water has sunk, the ground water becomes increasingly purified: the deeper the water, the cleaner it becomes.

Melting and freezing: Some water freezes and is 'locked up' in ice, such as in glaciers and ice sheets. Similarly, water sometimes melts and is returned to oceans and seas.

The processes involved in the water cycle are shown in Figure 8.21.

Figure 8.21: The water cycle.

TEACHER RESOURCES:

This page is a part of PhysicalGeography.net, an educational website maintained by Dr. Michael Powdery, a member of the Geography Department at Okanagan University in British Columbia. In addition to this excellent introduction with tables and diagrams, the site also includes a glossary of terms, additional readings, and links to outside resources.

The Georgia state office of the US Geological Survey provides a very basic and kid-oriented site to explain various aspects of the water cycle, including following a single drop of water through the cycle's main stages. US Geological Survey: The Water Cycle:

This is an animation of the water cycle

Oxygen cycle (ESGBF)

Oxygen is one of the main gases found in the air, along with nitrogen. Oxygen is re-cycled between the air and living organisms in the following ways:

  • Breathing and respiration: organisms such as animals and plants take in oxygen from the air during breathing and gaseous exchange processes. The oxygen is used for cellular respiration to release energy from organic nutrients such as glucose.
  • Fotosíntesis: during photosynthesis, plants absorb carbon dioxide from the air to synthesise sugars, and release oxygen.
  • Hay un complementario relationship between photosynthesis and cellular respiration in that the former produces oxygen and the latter consumes oxygen.

The oxygen cycle is shown in Figure 8.22.

Watch a video about the oxygen cycle. Focus on the first part of the video clip and the summary at the end.

Carbon cycle (ESGBG)

Carbon is the basic building block of all orgánico materials, and therefore, of living organisms. Most of the carbon on earth can be found in the crust. Other reservoirs of carbon include the oceans and atmosphere.

Learn more about the carbon cycle in this video:

Carbon moves from one reservoir to another by these processes:

  • Combustion: Burning of wood and fossil fuels by factory and auto emissions transfers carbon to the atmosphere as carbon dioxide.
  • Fotosíntesis: Carbon dioxide is taken up by plants during photosynthesis and is converted into energy rich organic molecules, such as glucose, which contains carbon.
  • Metabolismo: Autotrophs convert carbon into orgánico molecules like fats, carbohydrates and proteins, which animals can eat.
  • Respiración celular: Animals eat plants for food, taking up the organic carbon (carbohydrates). Plants and animals break down these organic molecules during the process of cellular respiration and release energy, water and carbon dioxide. Carbon dioxide is returned to the atmosphere during gaseous exchange.
  • Precipitate: Carbon dioxide in the atmosphere can also precipitate as carbonate in ocean sediments.
  • Decaer: Carbon dioxide gas is also released into the atmosphere during the decay of all organisms.

Fotosíntesis y gaseous exchange are the main carbon cycling processes involving living organisms. Figure 8.23 depicts the carbon cycle.

Figure 8.23: The carbon cycle.

TEACHER RESOURCES:

This is a game you can play to learn more about the carbon cycle. GAME:

Nitrogen cycle (ESGBH)

Nitrogen (N8.4: Cycles of Matter in the Biosphere - Biology,[nobr][H1toH2]

Ecological Impacts of Climate Change

13.3.2 Regulating

The biosphere plays a major role in the global carbon cycle at temporal scales ranging from annual to geological. The annual flux in atmospheric CO 2 is the uneven balance of photosynthesis and respiration between summer and winter in the northern hemisphere the existence of fossil fuels is in part a result of a longer nonequilibrium of photosynthesis and respiration in biological communities in the distant past. In between, the biosphere has absorbed a significant fraction of the carbon released by burning fossil fuels over the last two centuries. Ecological responses to climate change could affect photosynthesis and respiration and this regulating service notably, photosynthesis can be limited by higher temperatures while respiration increases. Relative to the systems discussed above, we can see changes that could be significant in tropical, boreal, and oceanic ecosystems.

In boreal ecosystems, the advance of the Arctic treeline ecotone into tundra could allow for increased storage of carbon, given that boreal forests, particularly their soils, store relatively large amounts of carbon. However, this increase in storage in the ecotone could be balanced or overwhelmed by having less-continued storage of carbon with higher respiration rates and the release of currently stored carbon (having accumulated in recent decades) in higher temperatures. Given the extensive wetlands in the boreal and Arctic regions, some of this released carbon could be in the form of methane, which has a stronger radiative trapping effect per atom of C than does CO2. Decreasing water level and increased temperature may decrease carbon sequestration in subarctic and boreal peatlands, especially in more southern latitudes ( Gorham, 1991 ). The process may also be repeated in the tropics ( Page et al., 2004 ). Mitsch and Gosselink (2007) provided a useful summary for wetlands.


Feedback Loops

Systems are managed by feedback loops, processes where the output of the system is fed back or returned to the input. There are positive and negative feedback loops that exist in almost all systems. Don’t be fooled, however, by the terms positive and negative feedback, which may imply one is good and one is bad. It is actually often the opposite that the negative feedbacks are what produces balance in the Earth System, whereas the positive feedback loops can act like a runaway train. Positive feedback loops are activities that increase the effects of the interacting parts of the system, while negative feedback loops are activities that decrease the effects of the interacting parts of the system to help maintain equilibrium.

  • Positive Feedbacks: increase in the output increase or amplify changes in the system away from its equilibrium and creates more increase in output destabilizing the system. Causes change in the same direction as the system.
    • For example, the warming of the high northern latitudes is related to the reduction of time when the surface is covered by ice or snow. The warming of the high northern latitudes is often thought of as an example of a positive feedback loop: the more ice melts, the less sunlight is reflected away, which leads to more warming, which leads to more ice melting, and so on.
    • There are also examples of negative feedbacks in our Earth System. Take for example when the Earth’s ocean surface temperature heats up, it causes more evaporation from the oceans. This additional source of moisture into the atmosphere over the oceans can lead to more low-level marine clouds. Low-level marine stratocumulus clouds are often very reflective of solar radiation, so more of these clouds can thus increase the Earth’s albedo (or solar radiation reflectivity) and thereby cool the ocean surface temperatures.

    Either way, most of these processes are completely natural however, some can and are being influenced by human activity. As responsible residents of this planet, we need to do our best to understand how our actions are affecting our home and try to prevent any runaway trains from occurring on our watch.

    Throughout changes in the Earth System, the spheres (Atmosphere, Biosphere, Cryosphere, Geosphere, and Hydrosphere) all cycle matter and energy through dynamic interactions. Instead of focusing on the one part of Earth, Earth System Scientists use other branches of science (i.e., biology, chemistry, and physics) to study the cycles that connect these systems with each other and to the Sun’s energy.

    Examples of feedbacks in Earth's climate:

    1. Clouds. Clouds have an enormous impact on Earth's climate, reflecting about one-third of the total amount of sunlight that hits the Earth's atmosphere back into space. Even small changes in cloud amount, location and type could have large consequences. A warmer climate could cause more water to be held in the atmosphere, leading to an increase in cloudiness and altering the amount of sunlight that reaches the surface of the Earth. Less heat would get absorbed, which could slow the increased warming.
    2. Precipitación. Global climate models show that precipitation will generally increase due to the increased amount of water held in a warmer atmosphere, but not in all regions. Some regions will dry out instead. Changes in precipitation patterns, such as increased water availability, may cause an increase in plant growth, which in turn could potentially removing more carbon dioxide from the atmosphere.
    3. Greening of the forests. Natural processes, such as tree growth, remove about half of human carbon dioxide emissions from the atmosphere every year. Scientists are currently studying where this carbon dioxide goes. The delicate balance between the absorption and release of carbon dioxide by the oceans and the world’s great forested regions is the subject of research by many scientists. There is some evidence that the ability of the oceans or forests to continue absorbing carbon dioxide may decline as the world warms, leading to faster accumulation in the atmosphere.
    4. Ice albedo. Ice is white and very reflective, in contrast to the ocean surface, which is dark and absorbs heat faster. As the atmosphere warms and sea ice melts, the darker ocean absorbs more heat, causes more ice to melt, and makes the Earth warmer overall. The ice-albedo feedback is a very strong positive feedback.


    Ver el vídeo: Ecología 3: Ciclo de la Materia (Octubre 2022).