Para comprender la diferencia que existe en el flujo de materia con respecto al flujo de energía primero analizaremos como fluye la energía a través de ecosistemas de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, en cada transformación, mucha energía es disipada como calor, una forma que no puede ser usada por los organismos para alimentar su metabolismo. La energía de enlaces químicos en los alimentos de un consumidor al siguiente de un nivel trófico a otro. Al final, la energía pasa a los reductores, Cada transferencia tiene aproximadamente 10% de eficiencia, la energía restante escapa en forma de de calor, un producto de actividad respiratoria que sostiene los organismos.

 

Los elementos química a diferencia de la energía no se pierden cuando se transfiere entre organismos; ellos se reciclan reiteradamente a través de de los organismos y el ambiente físico.

Los átomos de carbono y de nitrógeno de los cuales está compuesta la vida hoy son los mismos átomos que formaron a los dinosaurios, los insectos y los árboles de la Era Mesozoica. Las cantidades de carbono, hidrógeno, oxígeno nitrógeno, fósforo, calcio, azufre y otros elementos químicos de la tierra no cambian, pero las cantidades que están disponibles para los organismos están fuertemente influenciadas por el modo en que los organismos las obtienen, el tiempo que las retienen dentro de si y lo que hacen con ellas mientras las tienen.

 

Para entender el ciclo de los elementos, es conveniente dividir el ecosistema global en cuatro compartimentos: los océanos , las aguas dulces, la atmósfera y la tierra. Los ambientes físicos en cada compartimiento y los tipos de organismos y los tipos de organismos que viven en cada uno de los diferentes. Por tanto, las cantidades de los elementos que se encuentran en los distintos compartimientos, lo que ocurre con esos elementos y las tasas de las cuales entran y dejan los compartimientos difieren notablemente. Al final de todos los compartimientos se integran de modo que los elementos circulan a través del ecosistema global.

 

Los elementos químicos que los organismos necesitan en grandes cantidades –carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre- circulan a través de los organismos hacia el ambiente físico y viceversa. El patrón del movimiento de un elemento químico a través de los organismos y de los compartimentos del ambiente físico se denomina ciclo bioquímico.

Algunos de los elementos químicos circulan continuamente, pero grandes cantidades de otros elementos quedan temporalmente fuera de esa circulación al depositarse en los sedimentos de las profundidades oceánicas.

 

Cada uno de los elementos químicos empleados por los organismos tiene un ciclo biogeoquímico distintivo cuyas propiedades dependen de la naturaleza física y química del elemento y de la forma en que los organismos lo usan. Todos los elementos químicos circulan rápidamente a través de los organismos ya que en ningún individuo vive mucho en términos geológicos.

 

Los elementos químicos que existen en la atmósfera en forma gaseosa, como el carbono y el nitrógeno, circulan más rápidamente que los elementos no gaseosos.

 

 

La circulación del agua a través de los cuatro compartimentos del ecosistema se conoce como ciclo hidrológico. Si bien la el agua es un compuesto y no un elemento, describimos aquí su ciclo junto con el de los elementos individuales debido a su importancia para la vida.

 

El ciclo hidrológico esta determinado por la evaporación del agua, en su mayoría desde la superficie de los océanos.

 

Parte del agua retorna a los océanos en forma de precipitación, pero mucho menos agua que regresa así, a los océanos que la que se evapora desde ellos. El resto del agua que se evapora es llevada por los vientos hacia la tierra, donde cae como lluvia o nieve.

 

Los organismos para sobrevivir deben tener acceso a átomos de carbono. Casi todo el carbono de los organismos proviene del dióxido de carbono (CO3) de la atmósfera o de iones carbonato (HCO3) disueltos en el agua.

En las células de algunas bacterias, de los protistas fotosintéticos y de las hojas de las plantas, el carbono es incorporado en moléculas orgánicas mediante la fotosíntesis.

 

Todos los organismos de los restantes grupos obtienen el carbono consumiendo otros organismos, sus restos o sus productos de desecho.

 

Los organismos marinos convierten los iones de carbonato solubles del agua de mar en sedimentos oceánicos insolubles, al depositar carbono en sus conchas y esqueletos, los que finalmente caen al fondo.

 

Los procesos biológicos terrestres mueven el carbono entre el compartimiento terrestre y atmosférico, extrayéndolo de la atmósfera mediante fotosíntesis y devolviéndolo a la atmósfera mediante la respiración

 

El dióxido de carbono producto final de la combustión de combustibles fósiles ha sido liberado a la atmósfera a una velocidad mayor que la de su transferencia a los océanos o que la de su incorporación a los biomas terrestres. A lo anterior también contribuye a la quema de bosques.

 

El carbón siendo liberado por la quema de combustibles fósiles es suficiente para alterar el balance de calor de la Tierra.

 

El nitrógeno es completamente indispensable para la vida, ya que es un constituyente principal de proteína, ácidos nucleico, clorofila o enzimas y muchas otras moléculas de la vida. El nitrógeno se encuentra tanto disponible en el fondo de intercambio y en reservorios menos disponibles. La mayor reserva de nitrógeno es la atmósfera donde el nitrógeno molecular (N2) forma aproximadamente 78 % de los gases de la atmósfera sin contar el agua. Pero con la excepción de ciertas bacterias fijadoras de nitrógeno, el nitrógeno atmosférico como tal no pueden utilizarlo los organismos de la Tierra. Sólo puede ser convertido a formas biológicamente útiles por unas pocas especies de bacterias y de cianobacterias, que convierten el N2 en amoniaco mediante un proceso llamado fijación del nitrógeno . por ello a pesar de la abundancia de N2, el nitrógeno utilizable esta a menudo en cantidades escasas en los ecosistemas. Las plantas y casi todos los demás productores, deben obtener el nitrógeno principalmente en forma de iones para poder incorporarlo en sus aminoácidos. Los iones de nitrato (NO3) los producen las bacterias del suelo y del agua.

 

La fijación del nitrógeno es energéticamente costosa; por ello los organismos fijadores de nitrógeno con frecuencia pierden en la competencia con los fijadores cuando el nitrógeno se toma mas fácilmente disponible. El nitrógeno tiende a perderse rápidamente de los ecosistemas por lixiviación, por vaporización del amoniaco y por el proceso de desnitrificación (la devolución del nitrógeno a la atmósfera como nitrógeno gaseoso, N2, por algunos organismos) pero sólo es liberado lentamente por la descomposición de detritos. Contribuye por las emisiones de chimeneas a la producción de lluvia ácida por la formación de ácido sulfúrico (HNO3)

 

 

El ciclo del fósforo carece de una fase gaseosa. Un poco de fósforo es transportado con las partículas de polvo, pero en general la atmósfera desempeña un papel menor en el ciclo del fósforo. El fósforo existe principalmente como fosfato (PO4) o compuestos similares. La mayoría de los depósitos de fosfato son de origen marino. En tierra, el fósforo se toma disponible a través de la lenta meteorización y disolución de rocas y minerales. Los organismos necesitan fósforo como un componente de las moléculas ricas en energía involucradas en el metabolismo celular. El fósforo a menudo es nutriente limitante en suelos y lagos. Es por ello que el fosfato es un componente de la mayoría de los fertilizantes que al agregarse fosfatos a los lagos se causa una aumento marcado en su productividad biológica.

 

El fósforo entra en las raíces de las plantas como el soluble, fosfato HPO4. Los fosfatos son necesarios para la producción de muchas moléculas de importancia biológica como ADP Y ATP , los fosfolípidos y las coenzimas de la fotosíntesis y la respiración. Como el ATP aparece en la lista, una escasez de fosfatos afectaría gravemente a las actividades de las plantas que necesitan energía.

 

Los fosfato celulares son liberados por la acción de desintegradotes y, como son solubles pueden ser inmediatamente reintegrados al ciclo. Sin embargo cualquier fosfato incorporado al esqueleto, dientes o material calcáreo, es liberado muy lentamente por el desgaste.

 

 

 

El calcio, otro nutriente mineral, es importante para el funcionamiento apropiado de las membranas celulares y muchas reacciones enzimáticos. Entra en la raíz como el catión divalente CA 2+

 

Una escasez de calcio puede alterar los procesos de transporte celular causando, la muerte de la planta y es necesario que se incorpore constantemente por las raíces.

 

El ciclo del calcio es lento ya que está unido comúnmente a los esqueletos y a las conchas. El calcio de dichas estructuras densas es liberado muy lentamente en el suelo.

 

En los biomas de agua dulce, los reservorios de fósforo y de calcio pueden estar unidos al fondo en los sedimentos durante largos periodos hasta que las corrientes agitan esos fondos.

 

En los biomas marinos, las corrientes agitan las reservas de sedimento y disuelven los iones en la superficie, donde entran una vez más en el ciclo a través del plancton

 

Las emisiones volátiles de dióxido de azufre (SO2) y sulfuro de hidrógeno (H2S) de los volcanes y las fumadoras son los únicos flujos naturales importantes azufre no biológico.

 

Las emisiones liberan, e promedio, entre 10 y 20 % del flujo natural total de azufre hacia la atmósfera, pero varían notablemente en el espacio y en tiempo. Las grandes erupciones volcánicas esparcen buenas cantidades de azufre sobre áreas amplias, aunque estos son eventos raros.

Los Compuestos volátiles de azufre también son emitidos por organismos terrestres y marítimos. Algunas algas marinas producen cantidades de dimetil sulfuro (CH3SCH3), el que explica cerca de la mitad del componente biótico del ciclo del azufre. La otra mitades producida por organismos terrestres.

En apariencia el azufre es siempre lo suficientemente abundante para satisfacer las necesidades de los organismos vivos. También participa en la formación de nubes y por lo tanto influye en el clima y contribuye por las emisiones de chimeneas y autos a la producción de la lluvia ácida por la formación de ácido sulfúrico (H2SO4).