Biogeoquímica

Biogeoquímica es la disciplina científica que implica el estudio de los procesos y reacciones químicos, físicos, geológicos y biológicos que gobiernan la composición del medio ambiente natural (incluidas la biosfera, la criosfera, la hidrosfera)., la pedosfera, la atmósfera y la litosfera). En particular, la biogeoquímica es el estudio de los ciclos biogeoquímicos, los ciclos de elementos químicos como el carbono y el nitrógeno, y sus interacciones e incorporación a los seres vivos transportados a través de sistemas biológicos a escala terrestre en el espacio y el tiempo. El campo se centra en los ciclos químicos que son impulsados por la actividad biológica o influyen en ella. Se pone especial énfasis en el estudio de los ciclos del carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre, hierro y fósforo. La biogeoquímica es una ciencia de sistemas estrechamente relacionada con la ecología de sistemas.

Historia

Griega temprana

Los primeros griegos establecieron la idea central de la biogeoquímica de que la naturaleza se compone de ciclos.

Siglos XVIII-XIX

El interés agrícola por la química del suelo del siglo XVIII condujo a una mejor comprensión de los nutrientes y su conexión con los procesos bioquímicos. Dumas y Boussingault ampliaron aún más esta relación entre los ciclos de la vida orgánica y sus productos químicos en un artículo de 1844 que se considera un hito importante en el desarrollo de la biogeoquímica. Jean-Baptiste Lamarck utilizó por primera vez el término biosfera en 1802, y otros continuaron desarrollando el concepto a lo largo del siglo XIX. Las primeras investigaciones climáticas realizadas por científicos como Charles Lyell, John Tyndall y Joseph Fourier comenzaron a vincular la glaciación, la meteorización y el clima.

Siglo XX

El fundador de la biogeoquímica moderna fue Vladimir Vernadsky, un científico ruso y ucraniano cuyo libro de 1926 La Biosfera, en la tradición de Mendeleev, formuló una física de la Tierra como un todo vivo. Vernadsky distinguió tres esferas, donde una esfera era un concepto similar al concepto de espacio de fases. Observó que cada esfera tenía sus propias leyes de evolución, y que las esferas superiores modificaban y dominaban a las inferiores:

1. Esfera abiótica – todos los procesos de energía y material no vivos
2. Biosfera – los procesos de vida que viven dentro de la esfera abiótica
3. Nöesis o noosfera – la esfera del proceso cognitivo humano

Las actividades humanas (por ejemplo, la agricultura y la industria) modifican la biosfera y la esfera abiótica. En el entorno contemporáneo, la cantidad de influencia que los humanos tienen en las otras dos esferas es comparable a una fuerza geológica (ver Antropoceno).

A la limnóloga y geoquímica estadounidense G. Evelyn Hutchinson se le atribuye haber delineado el amplio alcance y los principios de este nuevo campo. Más recientemente, los elementos básicos de la disciplina de la biogeoquímica fueron reformulados y popularizados por el científico y escritor británico James Lovelock, bajo la etiqueta de Hipótesis Gaia. Lovelock enfatizó el concepto de que los procesos de vida regulan la Tierra a través de mecanismos de retroalimentación para mantenerla habitable. La investigación de Manfred Schidlowski se centró en la bioquímica de la Tierra primitiva.

Ciclos biogeoquímicos

Los ciclos biogeoquímicos son las vías por las cuales las sustancias químicas circulan (se giran o se mueven a través de) los compartimentos biótico y abiótico de la Tierra. El compartimento biótico es la biosfera y los compartimentos abióticos son la atmósfera, la hidrosfera y la litosfera. Existen ciclos biogeoquímicos para elementos químicos, como el calcio, carbono, hidrógeno, mercurio, nitrógeno, oxígeno, fósforo, selenio, hierro y azufre, así como ciclos moleculares, como el agua y la sílice. También existen ciclos macroscópicos, como el ciclo de las rocas, y ciclos inducidos por el hombre para compuestos sintéticos como los bifenilos policlorados (PCB). En algunos ciclos existen reservorios donde una sustancia puede permanecer o ser secuestrada por un largo período de tiempo.

Investigación

Existen grupos de investigación en biogeoquímica en muchas universidades de todo el mundo. Dado que se trata de un campo altamente interdisciplinario, estos se sitúan dentro de una amplia gama de disciplinas anfitrionas que incluyen: ciencias atmosféricas, biología, ecología, geomicrobiología, química ambiental, geología, oceanografía y ciencias del suelo. A menudo se agrupan en disciplinas más amplias, como las ciencias de la tierra y las ciencias ambientales.

Muchos investigadores investigan los ciclos biogeoquímicos de elementos químicos como el carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre, así como sus isótopos estables. También se estudian los ciclos de los oligoelementos, como los metales traza y los radionucleidos. Esta investigación tiene aplicaciones obvias en la exploración de depósitos de minerales y petróleo, y en la remediación de la contaminación ambiental.

Algunos campos de investigación importantes para la biogeoquímica incluyen:

• modelado de sistemas naturales
• procesos de recuperación de la acidificación del suelo y el agua
• eutrofización de aguas superficiales
• secuestro de carbono
• remediación ambiental
• Cambio global
• Cambio climático
• biogeoquímico prospecto de depósitos de mineral
• química del suelo
• oceanografía química

Biogeoquímica Evolutiva

La biogeoquímica evolutiva es una rama de la biogeoquímica moderna que aplica el estudio de los ciclos biogeoquímicos a la historia geológica de la Tierra. Este campo investiga el origen de los ciclos biogeoquímicos y cómo han cambiado a lo largo de la historia del planeta, concretamente en relación con la evolución de la vida.

Libros y publicaciones representativas