Resumen

Maribel Arenas-Navarro
Investigadora posdoctoral del Laboratorio de Biogeoquímica de Suelos,
Instituto de Investigaciones en Ecosistemas y Sustentabilidad,
Universidad Nacional Autónoma de México.
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Felipe García-Oliva
Investigador titular del Laboratorio de Biogeoquímica de Suelos,
Instituto de Investigaciones en Ecosistemas y Sustentabilidad,
Universidad Nacional Autónoma de México.
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Los organismos (personas, animales, plantas, hongos, bacterias) estamos compuestos de elementos esenciales para la vida, siendo los más importantes el carbono (C), el hidrógeno (H), el oxígeno (O), el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el azufre (S); a este grupo de elementos se les conoce como CHONPS por sus símbolos químicos juntos. Estos elementos son fundamentales, ya que son los encargados de formar unos compuestos llamados biomoléculas, los cuales forman parte del material genético (como el ácido desoxirribonucleico, ADN), de las moléculas que ayudan en la síntesis de otras biomoléculas (como las enzimas), de las estructuras en las células y de los tejidos. Pero también, son muy importantes porque a través de ellos podemos estudiar el flujo de la materia y la energía en los ecosistemas.

Estos elementos están almacenados en la atmósfera, en la tierra, en el agua y en los seres vivos en diferentes formas químicas y cada uno posee su propia ruta de circulación a través de los ciclos biogeoquímicos. Estos ciclos son procesos naturales que reciclan elementos en diferentes formas químicas, desde el ambiente hacia diferentes organismos y luego a la inversa. Por ejemplo, el ciclo biológico del carbono inicia con la fijación del dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera por parte de las plantas y de algunas bacterias por medio de la fotosíntesis. Esto se debe a que la mayor parte del C existe en la atmósfera como CO2. Los organismos fotosintéticos lo usan para producir moléculas orgánicas (como la glucosa), las cuales viajan a través de las cadenas alimenticias (es decir, cuando los animales o nosotros comemos plantas). Posteriormente, los átomos de C son liberados como CO2 que regresan a la atmósfera por medio de la respiración de los seres vivos y la descomposición de la materia orgánica en el suelo.

En el suelo, el C se almacena en forma de C orgánico proveniente de la descomposición de la materia orgánica que consiste en la transformación por medio de microorganismos (como bacterias, algas y hongos) a compuestos orgánicos de menor tamaño o como C inorgánico producto de la meteorización de las rocas y de los minerales a través de millones de años.

Pero, ¿qué es la estequiometría ecológica?

Primero, te diremos que la estequiometría es el estudio de los elementos y su medida o proporción se llama estequiometría (del griego στοιχειον = stoicheion (elemento) y μετρον = métron (medida)). El estudio de los efectos del balance de los elementos y la energía en los organismos, así como sus interacciones en los ecosistemas, se ha denominado estequiometría ecológica. Un concepto central en la estequiometría ecológica es la homeostasis estequiométrica, que se refiere al grado en que los organismos mantienen una composición elemental constante frente a las variaciones en su entorno, en particular, en la composición elemental y la disponibilidad de su alimento. Por lo que, estudiando la disponibilidad de elementos como el carbono, el nitrógeno y el fósforo, podemos analizar cómo estas medidas restringen y moldean las interacciones ecológicas.

Las proporciones elementales de C:N:P son una característica de las especies que refleja la eficiencia del uso de nutrientes y las limitaciones de nutrientes en su entorno. Las especies difieren en el grado en que regulan su composición elemental. Los organismos fotoautótrofos (cianobacterias, algas, plantas) parecen ser más plásticos (es decir, pueden cambiar) al ajustar su composición elemental de acuerdo con las condiciones de crecimiento. Mientras que, los animales (consumidores) regulan más estrictamente su composición elemental en torno a valores específicos de especies o etapas (por ejemplo, larva, pupa, adulto en un insecto).

Entonces, la homeostasis estequiométrica impone restricciones en las redes alimenticias debido a limitaciones de la calidad de los alimentos y, a su vez, hay estrategias por parte de los consumidores para seguir utilizando los nutrientes en el ecosistema. Un ejemplo sencillo es un insecto herbívoro alimentándose de una planta. En nuestro ejemplo, el insecto está compuesto de 5 átomos de carbono por cada átomo de nitrógeno (5C:1N) y la planta tiene 33 átomos de carbono por cada átomo de nitrógeno (33C:1N). El insecto crece convirtiendo la planta (C:N = 33) en su propia biomasa (C:N = 5), pero, dado que los animales mantienen proporciones relativamente constantes del carbono en su biomasa, el carbono en la planta es superior en relación con el nitrógeno. Entonces, el insecto tiene que procesar el exceso de C para obtener el N que necesita a través de varios mecanismos fisiológicos diseñados con una baja eficiencia de conversión para C y una alta eficiencia de conversión para N para ayudar a compensar el desequilibrio estequiométrico.

Por ejemplo, cuando consumen un exceso de carbohidratos, los herbívoros pueden disminuir la eficiencia con la que asimilan compuestos ricos en C durante la digestión al alterar la producción de enzimas digestivas y excretar el exceso de C, almacenar el exceso de C como lípidos o aumentar la tasa metabólica y respirar el exceso de carbono en forma de CO2. Sin embargo, existe un costo para estos mecanismos fisiológicos, lo que generalmente da como resultado una disminución del crecimiento, de la reproducción y de la supervivencia del consumidor.

La estequiometría en los ecosistemas

Las relaciones estequiométricas también pueden indicarnos las tasas relativas a las que se reciclan o almacenan el N y el P en los ecosistemas. De forma general, las plantas poseen dos estrategias para enfrentar la escasez de nutrientes: 1) Almacenando tantos nutrientes como sea posible en las plantas (estrategia de almacenamiento) y 2) Reduciendo su dependencia de los nutrientes por medio de estructuras con adaptaciones especiales (estrategia de reducción de la demanda). Estudios recientes han demostrado que las proporciones C:N:P entre los diferentes tipos de ecosistemas reflejaron las respuestas de las plantas y las adaptaciones a los entornos ambientales.

Los pastizales y los desiertos, generalmente, adoptan estrategias de almacenamiento de nutrientes (reflejado en proporciones bajas de C:N, C:P y N:P) para adaptarse a hábitats áridos y con escasez de ciertos recursos como el agua, mientras que los bosques reducen la demanda de nutrientes al tener ayuda de bacterias fijadoras de N (bacterias que viven en las raíces de algunas plantas que metabolizan el N de la atmósfera para dárselo a la planta) y hongos (los hongos ectomicorrízicos viven en simbiosis, que es una ayuda mutua entre las raíces de las plantas y el hongo, simbiosis en la que el hongo obtiene azúcares y la planta obtiene nutrientes). Asimismo, se ha demostrado que en los bosques boreales hay una reducción de la demanda de nutrientes, lo cual se refleja en las especies de hojas de aguja que dominan en los bosques boreales y que se adaptan a las condiciones frías a través de hojas puntiagudas y afiladas. Tal morfología de la hoja conduce a una menor fotosíntesis y, a su vez, a una menor demanda de N.

En conclusión, la variación en las proporciones C:N:P en los seres vivos refleja las asignaciones a las principales biomoléculas (por ejemplo, ADN, celulosa, etc.) y las estructuras que están estrechamente asociadas con características clave como la tasa de crecimiento, el tamaño y su función en los ecosistemas. Asimismo, el marco de la estequiometría ecológica nos permite considerar a los organismos estudiados como componentes de los ciclos biogeoquímicos y comprender cómo funcionan desde los tejidos, órganos, individuos y ecosistemas.

La estequiometría ecológica considera las demandas nutricionales de los organismos, el suministro de nutrientes en sus entornos y cómo afecta el crecimiento de los organismos, sus interacciones con el clima y otros seres vivos, así como el ciclo de nutrientes a lo largo de todo el ecosistema. Ahora, ya sabes que, desde los organismos más chiquitos hasta los ecosistemas, en gran parte estamos compuestos de los mismos elementos y estamos interconectados.

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