CitarEl dominio humano de la biosfera: la rápida descarga de la batería Tierra-Espacio presagia el futuro de la humanidad.
"Last Night", collage. Autor: Sammy Slabbinck
La Tierra es una batería química en la que a escala evolutiva, con una carga muy lenta de fotosíntesis usando energía solar, miles de millones de toneladas de biomasa viva fueron almacenadas en bosques y otros ecosistemas en grandes reservas de combustibles fósiles. En apenas los últimos cientos de años, los humanos han extraído la energía explotable de esta biomasa viva y fosilizada para construir la moderna economía industrial-tecnológica-informacional, para hacer crecer nuestra población hasta más de 7 mil millones y para transformar los ciclos biogeoquímicos y la biodiversidad de la Tierra. Esta rápida descarga de la energía orgánica almacenada de la Tierra impulsa el dominio humano de la biosfera, incluyendo la conversión de los hábitats naturales en campos agrícolas y la pérdida resultante de especies nativas, la emisión de dióxido de carbono y el cambio climático y del nivel del mar resultantes, y el uso de fuentes energéticas suplementarias nucleares, hidroeléctricas, eólicas y solares. Las leyes de la termodinámica que gobiernan la carga lenta y la rápida descarga de la batería Tierra son universales y absolutas. La Tierra está solo temporalmente en equilibro a una cantidad cuantificable del equilibrio termodinámico con el espacio exterior. Aunque esta distancia del equilibrio está compuesta por todo tipo de energía, la más crítica para los humanos es el depósito de biomasa viva. Con el rápido agotamiento de esta energía química, la Tierra está volviendo a un equilibrio inhóspito con el espacio exterior con ramificaciones fundamentales para la biosfera y la humanidad. Porque dado que no hay energía de sustitución o reemplazo para la biomasa viva, la distancia que queda hasta el equilibrio que será necesario para mantener la vida humana es desconocida.
Fecha: 8 de Julio 2015
Fuente: PNAS, revista de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos.
Autores: John R. Schramski, David K. Gattie y James H. Brown. (College of Engineering, University of Georgia, Athens, GA 30602; and Department of Biology, University of New Mexico, Albuquerque)
Traducción: Carlos Valmaseda, publicado en Espai Marx.
Fig. 1. Batería Tierra-Espacio. El planeta es una carga positiva de energía química orgánica almacenada (cátodo) bajo la forma de biomasa y combustibles fósiles. A medida que esta energía es disipada por los humanos, finalmente es irradiada como calor hacia el equilibrio químico con el espacio profundo (ánodo). La batería se está descargando rápidamente sin recarga.
Tal como se describe en la Figura 1, la Tierra es una batería de energía química almacenada en la que el planeta es el cátodo (energía química orgánica almacenada) y el espacio es el ánodo (el equilibrio). Nosotros lo llamamos la batería Tierra-Espacio. Costó millones de años que las plantas fotosintéticas cargasen lentamente la batería, convirtiendo gradualmente energía solar difusa de baja calidad en energía química de alta calidad almacenada temporalmente bajo la forma de biomasa viva y con más duración bajo la forma de combustibles fósiles: petróleo, gas y carbón. Solo en los últimos siglos -un parpadeo en términos evolutivos- el uso de energía por parte de los humanos para impulsar el auge de la civilización y la moderna sociedad industrial-tecnológica-informacional ha descargado la pila Tierra-Espacio induciendo el flujo entre los terminales, degradando la energía de biomasa de gran calidad para hacer el trabajo de transformar la Tierra para beneficio humano e irradiando la energía de baja calidad resultante al espacio profundo. Las leyes de la termodinámica dictan que la diferencia en ritmo y escala temporal entre la lenta carga y el rápido agotamiento es insostenible. La actual descarga masiva está llevando rápidamente a la Tierra de una biosfera rebosante de vida y manteniendo una civilización humana altamente desarrollada a un yermo paisaje lunar. Considérese como ejemplo que el estado energético de la Tierra sea parecido al de una casa que funcione con una batería de una sola carga que proporcione energía para la luz, la calefacción, el aire acondicionado, los aparatos eléctricos y las comunicaciones electrónicas. A medida que la pila se descarga, estos servicios dejan de estar disponibles y la casa pronto se vuelve inhabitable.
Fig. 2. Almacenaje energético químico y nuclear de la Tierra (distancia del equilibrio) (10, 11, 38, 39). Donde es necesario la biomasa es convertida en energía suponiendo que 1 t carbono ∼35 × 109 julios. ZJ = zeta julios = julios × 1021.
La energía en Física y Biología
Las leyes de la termodinámica son incontrovertibles. Tienen ramificaciones inevitables para el futuro de la biosfera y la humanidad. Empezamos explicando los conceptos termodinámicos necesarios para entender la energía de la biosfera y los humanos dentro del sistema Tierra-Espacio. Las leyes de la termodinámica y las muchas formas de energía pueden ser difíciles para los no expertos. Sin embargo, los flujos y depósitos de la energía de la Tierra pueden ser explicados en términos directos para comprender por qué la biosfera y la civilización humana están en desequilibrio energético. Estas leyes físicas son universales y absolutas, se aplican a todas las actividades humanas y son la clave universal para la sostenibilidad. La energía es lo lejos que está una propiedad (por ejemplo, temperatura, química, presión, velocidad) del equilibrio. Esta distancia, o gradiente, puede ser capturada para realizar un trabajo, moviendo en el proceso a la propiedad más cerca del equilibrio. Así, mientras la capacidad de realizar un trabajo se usa a menudo como la definición más simple de energía, en última instancia esta capacidad requiere un sistema fuera de equilibrio, un gradiente que sea posible capturar. Por ejemplo, la Tierra está fuera del equilibrio químico con respecto al espacio exterior. A medida que quemamos energía fósil química para conseguir trabajo, la Tierra pierde el calor resultante y de nuevo se mueve más cerca del equilibrio. La Primera Ley de la Termodinámica asegura que aunque la energía sea transformada entre solar, química, trabajo y calor en estas transacciones, no es ni creada ni destruida. Cambia de forma, pero se conserva la cantidad total. La Segunda Ley de la Termodinámica asegura que a medida que la energía cambia de forma, toda esta energía es finalmente degradada a energía calórica de baja calidad y la pierde el planeta. Estas leyes físicas no solo han permitido la evolución de la vida, también han permitido el desarrollo de la civilización humana. Los seres vivos usan la fotosíntesis para convertir la difusa pero fiable luz solar en compuestos orgánicos ricos en energía, y usan la respiración para romper estos componentes, liberar la energía almacenada y hacer el trabajo biológico de vivir (1, 2). Para los humanos esto significa consumir alimentos y respirar para alimentar el metabolismo biológico. Sin embargo, los humanos también usan innovaciones tecnológicas para quemar productos químicos orgánicos y usar esta energía extrametabólica para hacer el trabajo adicional de alimentar actividades socioeconómicas complejas. En milenios de tiempo evolutivo, a medida que los seres vivos evolucionaron y se diversificaron, desarrollaron nuevas vías bioquímicas para convertir la energía solar en biomasa. Llevó del orden de mil millones de años para que los primeros procariotas fotosintéticos y quimicosintéticos explotasen los pequeños gradientes de energía disponibles y sintetizasen suficiente biomasa como para empezar a cargar la batería química Tierra-Espacio. Viejos organismos unicelulares crearon un modesto gradiente químico energético que duró miles de millones de años. Hace alrededor de 600 millones de años, con la explosión Cámbrica de diversidad de grandes organismos multicelulares y la consiguiente colonización de la Tierra por parte de las plantas, la biosfera adquirió un gran depósito de biomasa viva, principalmente bajo la forma de bosques (3). En los periodos Carbonífero, Pérmico y Jurásico (350-150 millones de años), restos de plantas y animales muertos se conservaron en la corteza terrestre para crear las reservas de carbón, petróleo y gas. Desde entonces, la Tierra ha estado básicamente en un cuasi-equilibrio energético, perturbado continuamente por impactos de asteroides, actividad tectónica, glaciaciones y fluctuaciones climáticas, añadiendo o restando modestamente de los depósitos de combustibles fósiles, pero siempre volviendo a un equilibrio aproximado entre input solar y pérdida de calor, fontosíntesis y metabolismo heterotrófico. Todo cambió cuando los humanos anatómicamente modernos aparecieron y se extendieron fuera de África para colonizar toda la Tierra. El hito más importante fue el desarrollo y extensión de la agricultura, que empezó hace unos 12.000 años. Antes de esto, las sociedades cazadoras-recolectoras habían estado en un equilibrio aproximado, basándose en la energía fotosintética para proveerse de alimentos vegetales y animales y combustible para cocinar y calentar y apenas alteraron la superficie de la Tierra. Con la llegada de la agricultura, los humanos empezaron a capturar sistemáticamente el gradiente almacenado de biomasa y a aumentar la descarga de energía química. Inicialmente, la labor humana y animal y los fuegos de madera y estiércol fueron usados para hacer el trabajo de fabricar herramientas, despejar la tierra, cultivar los campos y cosechar. Sin embargo, sociedades aún más inventivas desarrollaron nuevas tecnologías basadas en emplear nuevas fuentes de energía. Lo que es más importante, la revolución industrial usó los molinos de viento y agua para realizar trabajo y quemó primero madera, luego carbón vegetal y finalmente combustibles fósiles para explotar y fundir menas de metal y para fabricar herramientas y máquinas. Estos desarrollos llevaron a poblaciones humanas cada vez mayores con economías y sistemas sociales cada vez más complejos, todos alimentados por un ritmo siempre creciente de descarga de energía química.
El paradigma de la batería Tierra-espacio
Por definición, la cantidad de energía química concentrada en los depósitos de carbono del planeta Tierra (cátodo positivo) representa la distancia del duro equilibrio termodinámico con el cercano espacio exterior (ánodo negativo). Este gradiente energético mantiene la biosfera y la vida humana. Se puede modelar como una batería de una sola carga. Esta batería química Tierra-espacio (figura 1) cargó muy lentamente durante 4,5 mil millones de años de influjo solar y de acumulación de biomasa viva y combustibles fósiles. Ahora se está descargando rápidamente debido a las actividades humanas. A medida que quemamos energía química orgánica, generamos trabajo para hacer crecer nuestra población y economía. En el proceso, la energía química de alta calidad se transforma en calor y se pierde para el planeta por la radiación al espacio exterior. El flujo de energía del cátodo al ánodo está acercando al planeta rápida e irrevocablemente al estéril equilibrio químico del espacio. La figura 2 describe los depósitos de energía primaria de alta calidad químicos y nucleares como sus distancias respectivas del equilibrio del espacio exterior. Seguimos a la industria energética al centrarnos en las reservas de alta calidad y usar la "energía recuperable" como nuestro punto de referencia, porque muchos depósitos de combustibles fósiles y menas nucleares están dispersos o inaccesibles y no se pueden capturar actualmente para producir energía neta y beneficio económico (4). Las muy grandes reservas de energía orgánica de baja calidad incluyendo los compuestos de carbono en suelos y sedimentos oceánicos (5, 6) no se muestran, pero no son actualmente económicamente extraíbles y utilizables, así que normalmente no se incluyen ni en las categorías de recuperables ni en las de no recuperables. Aunque los gradientes de energía atribuidos al enfriamiento geotérmico, los gradientes térmicos del océano, las temperaturas de efecto invernadero del aire, etc. contribuyen a la distancia termodinámica de la Tierra del equilibro con el espacio, tampoco se incluyen porque no son energía química y presumiblemente seguirían existiendo de alguna forma en un planeta desprovisto de seres vivos, incluyendo los humanos. La figura 2 muestra que los humanos están actualmente descargando todos los depósitos recuperables de energía química orgánica al ánodo de la batería Tierra -Espacio como calor. La pila Tierra-espacio creada por organismos está compuesta de dos tipos de compuestos químicos orgánicos. El primero son los combustibles fósiles. Estos combustibles fósiles son principalmente hidrocarburos, conteniendo principalmente carbono e hidrógeno, casi nada de oxígeno y a menudo pequeñas pero significativas cantidades de otros elementos como sulfuro, vanadio, hierro, zinc y mercurio, que pueden ser tóxicos cuando se liberan al medio e incorporados por humanos y otros organismos. Las reservas de combustibles fósiles, la mayor parte depositadas hace cientos de millones de años, son finitas y se están agotando rápidamente. El petróleo, el gas y el carbón , que suponen más del 85% del actual consumo energético global son quemados para producir los bienes y servicios de nuestra economía industrial-tecnológica-informacional. A pesar de algunos excelentes análisis aleccionadores del uso presente y las perspectivas de futuro de los combustibles fósiles (4, 7, 8), la magnitud de la depósitos de energía de hidrocarburos económicamente recuperables son objeto de mucho debate. En la figura 2 reconocemos la incerteza asignando un valor conservador de <40 zetajulios (ZJ).
La crítica importancia de la biomasa viva
Aquí nos centramos en el segundo tipo de productos químicos que forman la batería Tierra-Espacio, los compuestos orgánicos en la biomasa viva. Nuestro trabajo sugiere que los dos valores más pequeños, 19 y 2 ZJ, en el gráfico de barras de la figura 2, son los más importantes. Los 19 ZJ representan la actual energía química potencial almacenada bajo la forma de biomasa viva, la mayor parte de ella como fitomasa en plantas terrestres y la mayor parte de ellas en bosques. Estos productos químicos son los carbohidratos, lípidos, proteinas, celulosa, ligninas y otras sustancias que forman los cuerpos de los organismos vivos. A diferencia de los combustibles fósiles, la magnitud de este gradiente de almacenaje de energía (esto es, su distancia del equilibrio) se mantiene gracias a un flujo constante de energía solar (9). Los 2 ZJ son el flujo de energía debido a la producción primaria anual neta (PPN) del planeta, que es la cantidad de energía convertida cada año de energía solar a biomasa por el proceso de fotosíntesis. La PPN global es el presupuesto anual de energía renovable de la Tierra dentro de la cual operan todos los seres vivos y dentro de la cual nuestros ancestros humanos cazadores-recolectores funcionaban anteriormente. Por lo tanto, un input de 2 ZJ/año de fotosíntesis mantiene un stock permanente de 19 ZJ de biomasa almacenada. Esta biomasa almacenada es esencial para los humanos modernos, porque su energía química mantiene una biosfera habitable alejada del equilibrio químico del espacio. La PPN y la biomasa viva almacenada de la biosfera mantienen la biodiversidad y regulan el ciclo climático y biogeoquímico. La energía metabólica que alimenta nuestros cuerpos y mantiene nuestra población se deriva del PPN, porque todos nuestros alimentos son biomasa viva, producidos por las plantas y animales de los diversos ecosistemas de la Tierra: campos agrícolas, tierras de pastoreo, océanos y agua dulce. Además, la biomasa es esencial para que los humanos accedan a otras formas de energía, incluyendo la eólica, hidro, fósil, nuclear, etc.
La biomasa viva se está agotando rápidamente
En tiempos del Imperio romano y el nacimiento de Cristo, la Tierra contenía ∼ un millardo de miles de millones de toneladas de biomasa viva (10), equivalente a 35 ZJ de energía química, principalmente bajo la forma de árboles en los bosques. En apenas los últimos 2000 años, los humanos han reducido esto un 45% a ∼ 550 mil millones de toneladas de carbono en biomasa, equivalente a 19,2 ZJ. La pérdida se ha acelerado con el tiempo, con un 11% agotado solo desde 1900 (figura 3) (11,12). En los últimos años, de media, estamos capturando -y liberando como calor y dióxido de carbono- los restantes 550 mil millones de toneladas de carbono en biomasa viva a un ritmo neto de ∼1,5 mil millones de toneladas de carbono por año (13, 14). La causa y medida del agotamiento de la biomasa son temas complicados, y los números están siendo casi continuamente reevaluados (14). El agotamiento se debe principalmente a cambios en el uso de la tierra, incluyendo la deforestación, la desertificación y la conversión de los paisajes con vegetación en superficies estériles, pero también secundariamente a otras causas como la contaminación y una pesca y silvicultura insostenibles. Aunque las estimaciones cuantitativas de más arriba tienen una considerable incertidumbre, la tendencia y magnitudes generales son hechos ineludibles con terribles consecuencias termodinámicas.
Fig. 3. Depósitos globales de fitomasa. Calculados a partir de la tabla 2 de Smil (11), suponiendo que 1 t carbono ∼35 × 109 julios.
ZJ = zeta julios = julios × 1021.
El rol dominante de los humanos
El Homo sapiens es una especie única. La historia de la humanidad -empezando con los cazadores-recolectores, quienes aprendieron a obtener energía calórica útil quemando madera y estiércol, y siguiendo hasta los humanos contemporáneos, quienes aplican las últimas tecnologías, como el fracking, los paneles solares y las turbinas eólicas- es la de la innovación para usar todas las fuentes de energía económicamente explotables a un ritmo cada vez mayor (12, 15). Juntos, el imperativo biológico de la dinámica malthusiana-darwiniana para usar todos los recursos disponibles y el imperativo social de innovar y mejorar el bienestar humano han dado como resultado en al menos 10.000 años de crecimiento de la población y económico virtualmente ininterrumpido: de unos pocos millones de cazadores-recolectores a más de 7 mil millones de humanos modernos y de una economía de subsistencia basada en el uso sostenible de plantas y animales (esto es, en equilibrio con la producción energética fotosintética) a la moderna economía industrial-tecnológica-informacional (esto es, fuera de equilibrio debido a la descarga unidireccional insostenible de la batería de biomasa).
La figura 4 muestra el efecto multiplicador de dos grandes cifras que determinan el rápido ritmo de descarga de la batería Tierra-Espacio. El uso de la energía por persona multiplicado por la población da el total global de consumo de energía por parte de los humanos. Según los números de British Petroleum (16), que muchos expertos aceptan, en 2013, el uso medio de energía per cápita fue de 74,6 x 109 J/persona por año (equivalente a ∼2,370 W, trazado en verde en la figura 4). Multiplicando esto por una población mundial de 7,1 mil millones en 2013 da un consumo total de ∼0.53 ZJ/año (equivalente a 16,8 TW, trazado en rojo en la figura 4), que es más del 1% del total de combustibles fósiles recuperables almacenados en el planeta (esto es, 0.53 ZJ/40 ZJ = 1,3%). A medida que avanza el tiempo, la población aumenta, y la economía crece, el resultado de multiplicar estas dos muy grandes cifras es que la tasa total de consumo de energía global está creciendo a casi un ritmo exponencial. Para poner estas cifras en perspectiva, considérese un punto de referencia. Un individuo humano requiere de media 8,4 MJ/día (2.000 kcal/d) bajo la forma de alimentos para mantener una tasa metabólica biológica de aproximadamente 100 W. Para dar energía a sus diversas actividades, los humanos contemporáneos suplementan el metabolismo biológico con energía extrametabólica derivada de otras fuentes, principalmente combustibles fósiles. Por lo tanto, el actual consumo per cápita de 2370 W identificado más arriba para una persona media es aproximadamente 24 veces el de un ancestro cazador-reproductor. Además, este valor medio no indica la gran variación en el consumo de energía per cápita como una función de las condiciones socioeconómicas, que van de poco más que la tasa metabólica biológica en los países subdesarrollados más pobres a más de 11.000 W en los países más desarrollados con sus economías industrial-tecnológico- informacionales demandantes de energía (8, 17). Comparado con las necesidades metabólicas de la humanidad y los depósitos químicos restantes en la batería Tierra-Espacio (distancia del equilibrio termodinámico), el ritmo de descarga neta es muy grande y obviamente insostenible. La Tierra está en un serio desequilibro energético debido al uso humano de la energía. Este desequilibro define nuestro conflicto más dominante con la naturaleza. En realidad es un conflicto en el sentido de que el actual desequilibrio energético, una crisis sin precedentes en la historia de la Tierra, es una consecuencia directa de la innovación tecnológica. Los efectos nocivos de descargar la energía química orgánica almacenada en la batería se extienden mucho más allá del agotamiento de la fitomasa viva almacenada y la energía combustible fósil. Considérense los minerales. Los humanos energéticamente dominadores han descubierto y explotado la mayor parte de los depósitos más ricos de cobre, hierro, zinc, oro y plata, usado estos metales para mantener la economía industrial, y dispersado los "desechos" no usados en vertederos y estanques irrecuperables. Considérese el nitrógeno y el fósforo, ingredientes críticos de los fertilizantes porque son esenciales para el crecimiento de las plantas. Los depósitos globales de nitratos y fosfatos han sido drásticamente agotados. El nitrógeno para fertilizantes puede sintetizarse del gas nitrógeno atmosférico, pero este proceso químico requiere un gran aporte de energía exógena, usualmente bajo la forma de combustibles fósiles (18). Más ominosamente, no hay sustituto o mecanismo para sintetizar artificialmente fósforo. Considérese el agua. Mediante la represa de ríos y corrientes y al cavar pozos en los acuíferos subterráneos, los humanos utilizan actualmente más del 56% de todas las aguas dulces accesibles. La mayor parte de este agua se usa para el riego de cultivos, de forma que las actividades humanas suponen aproximadamente un 26% del agua perdida por evapotranspiración de los ecosistemas terrestres (19, 20). Considérense los impactos sobre los ecosistemas mundiales (21) y la biodiversidad (22).Para producir plantas y productos animales para el consumo humano y para albergar a nuestra creciente población, hemos transformado los ecosistemas y paisajes de aproximadamente el 83% de las áreas terrestres de la Tierra libres de hielo. Hemos reemplazado bosques y otros ecosistemas nativos con cultivos agrícolas, pastos, plantaciones forestales, edificios y pavimento, acaparando aproximadamente el 40% del PPN terrestre y reduciendo el stock permanente de biomasa viva en el planeta en un estimado 45%. Los cambios adicionales causados por los humanos han reducido sustancialmente los stocks de pesca oceánica, alterado los ciclos globales biogeoquímicos y el clima y causado una extinción de especies a 100-1000 veces las tasas de extinción media prehumana. Finalmente, considérese que el 15-30% del consumo actual global de energía se usa para simplemente proporcionar alimentos para 7,2 mil millones de personas (23, 24). La mayor parte de esta energía procede de combustibles fósiles y se utiliza para los inputs suplementarios de agua, fertilizantes, pesticidas y trabajo con máquinas que permiten a la agricultura moderna conseguir altos rendimientos (25-27). Por lo tanto, la población humana se mantiene por la PPN de la agricultura, pero la capacidad de esta agricultura de alimentar a la población mundial exige una descarga masiva de la batería Tierra-Espacio. La disipación unidireccional de la biomasa viva y de la energía de los combustibles fósiles ha proporcionado a nuestra especie un poderoso dominio sin precedentes sobre los ciclos biogeoquímicos y sobre otros organismos del planeta. Otros han registrado estos cambios y sus consecuencias (18-22, 28-30), pero sus advertencias no han conseguido provocar la suficiente preocupación pública y motivar una respuesta significativa.
Fig. 4. Historia del crecimiento global de consumo per cápita, población y consumo total de energía. Reproducido de la ref. 30, con permiso de Macmillan Publishers Ltd, Nature.
Irónicamente, las poderosas fuerzas políticas y de mercado, en lugar de actuar para conservar la carga restante en la batería, en realidad empujan en la dirección opuesta, porque los efectos generalizados para aumentar el crecimiento económico requerirán un aumento del consumo de energía (4, 8). Buena parte de la información anterior ha sido presentada en otros sitios, pero bajo diferentes formas (por ejemplo, en las referencias citadas). Nuestra síntesis difiere de la mayor parte de estos enfoques en dos aspectos: (I) introduce el paradigma de la batería Tierra-Espacio para dar una nueva perspectiva, y (II) enfatiza la importancia crítica de la biomasa viva para la sostenibilidad global tanto de la biosfera como de la civilización humana.
