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El dominio humano de la biosfera: la rápida descarga de la batería Tierra-Espacio presagia el futuro de la
humanidad
John R. Schramski, David K. Gattie y James H. Brown. (Publicado en PNAS, la revista de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos)
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 almacenados 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.
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.
Los humanos y la fitomasa
Podemos ser más cuantitativos y poner esto en contexto
introduciendo una nueva medida de sostenibilidad Ω
Ω = P/BN [1]
que combina a propósito las quizás dos variables críticas que afectan
al estatus de la energía del planeta: el total de fitomasa y la
población mundial. La ecuación 1 cumple esta combinación al dividir
la energía química almacenada en fitomasa P (en julios) por la
energía necesaria para alimentar a la población mundial durante un
año (julios por año, figura 5). El denominador representa la energía
básica (metabólica) necesaria para la población mundial. Se obtiene
al multiplicar la población mundial N por sus necesidades metabólicas
per cápita durante un año (B = 3,06 × 109 julios/persona·año
calculado a partir de una dieta de 8,4 x 106 julios/persona·día). La
expresión simple de Ω da el número de años con las tasas actuales de
consumo que el depósito de fitomasa global podría alimentar a la raza
humana. Al hacer la suposición conservadora pero completamente
irreal de que toda la fitomasa pudiese ser cosechada para alimentar
a los humanos (esto eso, toda ella es comestible), conseguimos una
estimación máxima absoluta del número de años de alimentos que le
restan a la humanidad. La figura 5 muestra que en los años 0-2000 Ω
ha disminuido predecible y dramáticamente de 67.000 a 1.029 años
(por ejemplo, en el año 2000, P = 19,3 × 1021 julios, B = 3,06 ×
109 julios/persona·por año, y N = 6,13 × 109 personas; esto es, Ω
=1,029 años). En solo 2000 años, nuestra especie sola ha reducido Ω
en un 98,5%. La anterior es una drástica subestimación por cuatro
razones. Primera, obviamente no podemos consumir todos los
depósitos de fitomasa para alimentos; la preponderancia de la
fitomasa gobierna la bioesfera. Segunda, al basar nuestra estimación
en el metabolismo biológico humano no incluye aquella alta
proporción de gasto de energía extrametabólico utilizado actualmente
para alimentar la población y nuestra economía. Tercera, la
estimación de arriba no tiene en cuenta que tanto la población
humana global como la tasa de uso de energía per cápita no son
constantes, sino que aumentan a ritmos casi exponenciales. No
intentamos extrapolar para predecir las futuras trayectorias, que
deben en última instancia dar un giro hacia abajo a medida que
depósitos esenciales de energía se agoten. Finalmente, destacamos
que no solamente ha disminuido rápidamente el depósito global de
energía de fitomasa, sino lo que es más importante, el dominio
humano sobre la parte restante también ha aumentado rápidamente.
Mucho antes de la hipotética fecha límite cuando el depósito global de
fitomasa esté completamente agotado, la energía de la biosfera y de
todas sus especies habitantes se habrán alterado drásticamente, con
profundos cambios en la función biogeoquímica y la biodiversidad
restante. El muy conservador índice Ω muestra con qué rapidez los
cambios en el uso de la tierra, la apropiación de PPN, la
contaminación y otras actividades están agotando los depósitos de
fitomasa para alimentar las casi exponenciales trayectorias de
crecimiento de la población y la economía. Dado que el índice Ω es
conservador, también destaca el muy poco tiempo que queda para
hacer cambios y conseguir un futuro sostenible para la biosfera y la
humanidad. Ya estamos firmemente en la zona de incerteza científica
en la que cualquier perturbación podría desencadenar un cambio de
estado castastrófico en la biosfera y la población y economía
humanas (31). A medida que nos acercamos rápidamente al
equilibrio químico del espacio exterior, las leyes de la termodinámica
ofrecen poco espacio para la negociación.
Fig. 5. Número de años de fitomasa alimenticia potencialmente disponible para
alimentar a la población humana global. Calculado a partir de la energía total de
fitomasa almacenada del planeta dividida por las necesidades energéticas
metabólicas para alimentar la población mundial para 1 año (esto es, julios/julios
por año = años) suponiendo una dieta de 8,4-MJ per cápita para todo el año. La
línea con una tendencia rápidamente decreciente indica el dominio de la fitomasa
por parte de la humanidad. Por razones dadas en el texto, estos valores son muy
conservadores. Queda poco margen para continuar con seguridad la actual
tendencia.
Discusión
La trayectoria de Ω mostrada en la figura 5 tiene al menos tres
implicaciones para el futuro de la humanidad. Primera, no hay razón
para esperar una trayectoria diferente en el próximo futuro. Algo
como el actual nivel de destrucción de energía de la biomasa será
necesario para mantener la actual población mundial con su
economía y producción de alimentos subsidiadas por los combustibles
fósiles. Segunda, dado que la batería Tierra-Espacio está siendo
descargada cada vez más rápidamente (figura 3) para mantener una
población cada vez mayor, la capacidad de amortiguar los cambios
disminuirá y los restantes gradientes de energía experimentarán
perturbaciones en aumento. Como cada vez más gente dependerá de
menos opciones energéticas disponibles, su nivel de vida y su misma
supervivencia serán cada vez más vulnerables a fluctuaciones como
sequías, epidemias, agitación social y guerra. Tercera, hay una
considerable incerteza en cómo funcionará la biosfera cuando Ω
decrezca del actual Ω = �1.029 años a una inexplorada región de
funcionamiento termodinámico. La biosfera global, la población
humana y la economía obviamente se estrellarán mucho antes de Ω
= 1 año. Si H. sapiens no se extingue, la población humana
disminuirá drásticamente cuando nos veamos forzados a volver a
llevar un estilo de vida de cazadores-recolectores o simples
horticultores. Además, la Tierra tras el colapso de la civilización
humana será un lugar muy diferente que el de la biosfera que
mantuvo el auge de la civilización. Habrá un legado de larga duración
de clima, paisajes y ciclos biogeoquímicos alterados, stocks de
combustibles fósiles, metales y menas nucleares agotados y dispersos
y una biodiversidad disminuida. La especie más poderosa en los 3,5
mil millones de historia de la vida ha transformado la Tierra y dejado
una marca que perdurará mucho después de su desaparición. Muchas
de las organizaciones y autores que han reconocido lo serio de la
amenazante crisis de energía sugieren la posibilidad de conseguir
algún nivel de sostenibilidad de la población mundial y de la economía
poniendo en marcha tecnologías de energía renovable (32, 33).
Nosotros también reconocemos la importancia de la energía solar y
otras renovables para amortiguar las consecuencias ecológicas y
socioeconómicas a medida que la biosfera vuelva a un estado de
homeoestásis entre la PPN y la respiración. Hay de hecho un gran
suministro de energía solar que todavía no ha sido aprovechado para
su uso humano. Como hemos mencionado más arriba, la luz solar es
energía muy dispersa de baja calidad. En consecuencia, las actuales
tecnologías dependen en gran manera de los combustibles fósiles
para diseñar, explotar, construir y operar los sistemas de captura y
distribución (34) y expandir los todavía por diseñar pero obligatorios
sistemas de almacenamiento de energía a gran escala. Además,
mientras algunos despliegues de sistemas solares (por ejemplo en
techos, carreteras y aparcamientos) causan poca reducción directa de
biomasa, un mayor despliegue indudablemente daría como resultado
un aumento de consecuencias indirectas en la biomasa tanto al
fabricar como al instalar colectores solares y otras infraestructuras. El
paradigma de la batería Tierra-Espacio clarifica por qué las
inversiones totales en curso y adelantadas en energía solar y otras
renovables deben equilibrarse con la energía producida, esto es, una
mayor Tasa de Retorno Energético (4, 35) y por qué su producción e
instalación deben no impactar negativamente en el presupuesto de
biomasa restante de la Tierra. La lógica presentada arriba es
indiscutible, porque las leyes de la termodinámica son absolutas e
inviolables. A menos que los depósitos de fitomasa se estabilicen, la
civilización humana es insostenible. El paradigma de la batería
destaca la necesidad de seguir refinando las estimaciones de
degradación global de biomasa (13) y su correspondiente contenido
en energía química y de combustibles fósiles recuperables. Recalca la
necesidad de un mayor reconocimiento de la importancia central de la
biomasa viva y la trayectoria pasada, presente y futura de una Ω en
descenso. La historia ofrece un mensaje mixto sobre la capacidad de
los humanos de innovar y actuar a tiempo para evitar el colapso. A
escala local y regional, muchas civilizaciones pasadas (por ejemplo,
Grecia, Roma, Angkor Vat, Teotihuacan) no consiguieron adaptarse
para cambiar las condiciones sociales y ecológicas y se estrellaron
catastróficamente. Al mismo tiempo, el ingenio humano y las
innovaciones tecnológicas permitieron que la población mundial y la
economía creciesen a tasas casi exponenciales. Este crecimiento ha
estado alimentado por la explotación de nuevos recursos de energía,
haciendo la transición entre la animal, hídrica, eólica, madera,
carbón, petróleo, gas natural, nuclear, solar fotovoltáica, geotérmica
y otras. Las implicaciones de colapsos pasados localizados y del
crecimiento global son de una relevancia cuestionable para la
situación actual, sin embargo, porque ahora, por primera vez en la
historia, la humanidad se enfrenta a un límite energético químico
global. El paradigma de la batería Tierra-Espacio proporciona un
marco sencillo para comprender los efectos históricos de los humanos
sobre la dinámica energética de la biosfera, incluyendo los
inalterables límites termodinámicos que ahora plantean serios retos al
futuro de la humanidad. La biomasa viva es el capital de energía que
hace funcionar la biosfera y mantiene la población humana y la
economía. Hay una necesidad urgente no solo de detener el
agotamiento de este capital biológico, sino de movernos tan
rápidamente como sea posible hacia un equilibrio aproximado entre
PPN y respiración. Simplemente, no hay tanque de reserva de
biomasa para el planeta Tierra. Las leyes de la termodinámica no
tienen piedad. El equilibrio es inhóspito, estéril y final.
Materiales y métodos
Para calcular omega en la figura 5, hemos usado los datos de
aumento de la población N desde los años 0 a 1950 y desde 1950 a
2000 del US Census Bureau (36, 37). En todos los casos, si hubo una
variación en las estimaciones de población para un año dado, para
ser conservadores, utilizamos la más baja. El contenido de energía de
la fitomasa P requirió una función continua para representar todos los
años entre 0 y 2000. Usamos ecuaciones de segundo orden para
ajustar los puntos de referencia en la figura 3. Los primeros 3 puntos
de referencia (años 0-1800) fueron representados como energía de
fitomasa= [35 − 1,70 × 10−6 (años)2 − 1,801 × 10−3 (años) −
1,8031 × 10−3 ] zeta julios. Los restantes puntos de referencia (años
1800-2000) fueron representados como energía de fitomasa = [35 −
3,386 × 10−5 (años)2 + 9,373−2 (años) − 67,770] zeta julios.
AGRADECIMIENTOS. Agradecemos a los estudiantes de Ingeniería
Ambiental de la Universidad de Georgia por comprometerse
continuamente con preguntas y discusiones profundas que ampliaron
los puntos clave en esta investigación. Este trabajo ha estado
financiado en parte por la National Science Foundation Macrosystems
Biology Grant EF 1065836 (a J.H.B.).
Traducción: Carlos Valmaseda
http://www.pnas.org/content/early/2015/07/14/1508353112.full.pdf
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