El origen Cósmico del agua

Luis F. Rodríguez y Yolanda Gómez

Es reconfortante saber que la molécula más importante para la vida en la Tierra (H2O) existe en otras partes de nuestro Universo, como lo han demostrado sensitivos radiotelescopios que reciben información de recónditos lugar

Introducción

os humanos damos al agua por hecho: la vemos como un recurso que está ahí disponible para que lo utilicemos a nuestro antojo. Pero como pueden constatar los lectores de esta revista, el agua (al menos la utilizable para os procesos biológicos) puede acabarse en el futuro. Tenemos pues conciencia del presente y del futuro del agua. Pero, ¿qué podemos decir de su pasado? ¿Desde cuándo existe agua en el Universo? ¿Existe en otras partes del cosmos? ¿Cómo llegó a la Tierra?

El agua es una molécula sencilla, formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. El hidrógeno es el elemento más común en el Universo; el oxígeno es también relativamente abundante (es el elemento más abundante después del hidrógeno y del helio: hay aproximadamente un átomo de oxígeno por cada mil de hidrógeno). Así, uno pensaría que si se dan las condiciones adecuadas estos átomos se unirían para formar agua.

Lo sorprendente es saber que no siempre hubo oxígeno en el Universo, y por tanto no siempre ha existido agua.

Como hemos dicho, el Universo continuó expandiéndose como un todo, pero había en él regiones que por la atracción de la gravedad se hacían más y más compactas (digamos que iban a contrapelo de lo que ocurría en el Universo como un todo, contrayéndose mientras el Universo se expandía). Pasado como un millón de años del origen, en estas regiones más densas (una de ellas sería después nuestra propia galaxia, la Vía Láctea) se comenzaron a formar, por contracción gravitacional, las primeras estrellas.

Las primeras estrellas

A la búsqueda de agua extraterrestre

¿Cómo podemos saber si existe agua en otras partes del Universo? Lo primero que viene a la mente es estudiar a los cuerpos de nuestro propio sistema solar, que son relativamente cercanos en términos astronómicos.

Nuestro planeta, junto con el Sol y el resto de los componentes de nuestro sistema solar, se originaron hace unos 4 mil 500 millones de años, después de que una gran nube de gas y polvo se contrajo y en su centro se formó el Sol. Al mismo tiempo que el Sol se terminaba de formar, un disco de material que lo rodeaba dio origen a los planetas, por lo que se le conoce como disco protoplanetario. El disco se extendía más allá de la órbita de Plutón, y tanto su densidad como su temperatura eran menores en las regiones más alejadas del Sol. Dentro del disco se llevaban a cabo colisiones entre pequeños objetos de la nube, llamados planetésimos, los cuales chocaban y se adherían unos con otros como si fueran pedazos de plastilina; esto permitió su aglutinamiento y consecuentemente la formación de los planetas en nuestro sistema solar. Las altas temperaturas de nuestro Sol y el fuerte viento solar que emanaba de su superficie durante su juventud hizo que se evaporara la mayor parte de los compuestos volátiles de los planetas cercanos al Sol, dando origen a los llamados planetas rocosos (Mercurio, Venus, Tierra y Marte).

La Luna, ¿qué sabe la Luna?

Los humanos ya hemos puesto el pie en la Luna y hubo gran revuelo cuando en 1996 la nave espacial Clementina y en 1998 el Explorador Lunar reportaron datos que sugerían la presencia de pequeñas cantidades de hielo en algunos cráteres, mezclado con el material que forma la superficie lunar. ¿Cómo habría logrado permanecer este hielo en las inclementes condiciones lunares? La luz del Sol derretiría al hielo y, como la Luna no tiene atmósfera, la falta de presión haría que el agua líquida se transformara en vapor. Finalmente, la baja gravedad de la Luna no podría impedir que el vapor de agua escapara al espacio exterior.

La posible presencia de agua en la Luna es de crucial importancia para su potencial exploración y colonización. Dados los altísimos costos de los viajes espaciales, cuesta aproximadamente lo mismo transportar un litro de agua a la Luna que lo que cuesta un kilo de oro en la Tierra. Para poner a prueba la existencia de hielo en la Luna, la NASA decidió estrellar intencionalmente al Explorador Lunar en una de estas regiones permanentemente sombreadas. La colisión ocurrió el 31 de julio de 1999. Al chocar, desde más de una docena de telescopios en la Tierra se realizaron observaciones muy sensitivas para buscar la radiación característica emitida por los iones hidroxilo (OH, que se producen cuando, por la explosión de un choque, la molécula de agua pierde uno de sus dos átomos de hidrógeno). Desafortunadamente, estas emisiones no se detectaron, con lo que la existencia de hielo en la Luna quedó sin confirmación.

Figura 2. Cráter con hielo en el polo norte marciano. Imagen: ESA/DLR/FU Berlín (G. Neukum).

Figura 4. Se ha detectado la presencia de vapor de agua en el centro de la galaxia NGC 4258, entre otras. (Imagen cortesía del Observatorio Nacional Óptico de los Estados Unidos).

El agua, una sustancia
tan común como
sorprendente

Jorge Peón Peralta

El agua es quizá el único líquido capaz de mantener en solución a gran variedad de especies químicas, las cuales tienen que conservar un equilibrio preciso para hacer que se lleven a cabo procesos biológicos de gran complejidad.

El agua es una de las sustancias más abundantes en nuestro alrededor. Este esencial líquido representa una de las moléculas (H2O) que más prevalecen en el Universo entero, ocupando el segundo lugar después de la molécula de hidrógeno (H2). Como es sabido, el agua es también la sustancia más importante para el desarrollo y el sostén de la vida en nuestro planeta; de hecho, la mayoría de los procesos biológicos se llevan al cabo gracias a ella. Como dato adicional, podemos recordar que, aproximadamente, 70 por ciento de la superficie terrestre está cubierta por el líquido. A esto se suma el hecho de que la mayor parte de la energía solar que obtiene la superficie de nuestro planeta se absorbe gracias a su contenido de agua y su evaporación, y la consecuente formación de nubes es uno de los principales factores que coadyuvan a estabilizar la temperatura terrestre.

Desde la perspectiva de la química, el agua tiene una enorme capacidad para disolver otras sustancias, por lo cual se le ha dado el sobrenombre de "disolvente universal".

Gracias a tal capacidad, es posible mantener en forma de disolución acuosa una enorme diversidad de compuestos; esto resulta esencial en muchos ámbitos como, por ejemplo, los ecosistemas acuáticos y los medios acuosos y coloidales de los tejidos y las células. Es esencial señalar que las propiedades del agua están determinadas, en el nivel más fundamental, por la geometría de su molécula y por la naturaleza de los átomos que la forman. A continuación se presenta una breve explicación acerca de la constitución de este vital compuesto, para luego referirnos a sus propiedades fisicoquímicas.

La estructura molecular del agua

En cualquiera de sus estados de agregación, el agua da la apariencia de ser una sustancia relativamente simple; sin embargo, tras esta primera impresión, se esconde un importante grado de complejidad a nivel microscópico. En la Figura 1 se muestra la imagen de una molécula de H2O individual; en ella se aprecia que los dos átomos de hidrógeno se encuentran unidos a un átomo de oxígeno, ambos del mismo lado, dándole a la molécula una forma en V, con un ángulo de 104.5 grados entre los enlaces O-H.

Figura 1. a) Diagrama de una molécula de agua individual. b) Mapa de colores del potencial electrostático. c) Esquema simplificado del agua ndicando cargas parciales en cada átomo.

Dicha geometría se determina por el ordenamiento de los pares electrónicos en la molécula: existe un total de 8 electrones de valencia o "exteriores" en el agua; de estos electrones, dos pares corresponden a enlaces oxígeno-hidrógeno (donde cada átomo aporta un electrón al enlace), mientras que los otros dos pares no participan en los enlaces y se consideran como pares de electrones "libres" o "no compartidos" del oxígeno. Al existir cuatro pares de electrones alrededor del núcleo del átomo de oxígeno, éstos se tienden a distribuir en tres dimensiones, manteniendo la mayor distancia posible entre ellos para que las fuerzas de repulsión sean mínimas. El resultado de tales interacciones es que los átomos de hidrógeno, junto con los pares electrónicos de los enlaces H-O, quedan proyectados de un mismo lado de la molécula, en tanto que los dos pares "libres" se distribuyen en el resto del espacio. Como se verá más tarde, muchas de las propiedades del agua se deben a esta geometría molecular angulada; y es justo dicha disposición atómica la que le permite al agua interactuar de maneras muy específicas con otras moléculas, así como con iones (átomos o moléculas cargados eléctricamente) e incluso con moléculas biológicas de gran tamaño.

Otra de las características más importantes del agua tiene que ver con el grado de polaridad o de separación de carga eléctrica que existe en la molécula. En la parte central de la Figura 1 se presenta la imagen de una molécula de agua, donde se aprecia la distribución de carga eléctrica. La densidad de la nube de electrones (que rodea y mantiene unidos a los núcleos de hidrógeno y oxígeno) se indica con una escala de colores: las zonas en rojo corresponden a lugares con mayor carga negativa, gracias a una mayor densidad de la nube electrónica; las zonas en verde indican una menor densidad electrónica. Como se puede ver, la distribución de carga es asimétrica, ya que los dos átomos de hidrógeno tienen una densidad electrónica muy baja (y por lo tanto, una carga parcial positiva, ?+), en tanto que del lado del átomo de oxígeno se encuentra un volumen de alta densidad electrónica (y por lo tanto, una carga eléctrica parcial negativa, ?-).

La distribución de la densidad electrónica en el agua obedece a dos razones. La primera es la geometría misma de la molécula. Como se ha mencionado, los dos pares electrónicos no compartidos del oxígeno se mantienen, aproximadamente, del lado opuesto a los dos átomos de hidrogeno, que comparten su único electrón con el oxígeno, formando un enlace químico. La segunda razón tiene que ver con la naturaleza de los enlaces oxígeno-hidrógeno. El núcleo del átomo de oxígeno tiene una capacidad significativamente mayor que el núcleo del hidrógeno para atraer los electrones de un enlace O-H hacia su lado de la molécula (el oxígeno es un átomo más electronegativo que el hidrógeno). Debido a esto, los electrones involucrados tienden a ubicarse más cerca del oxígeno en los dos enlaces oxígeno-hidrógeno. Ambos factores redundan en la asimetría de la distribución de carga, como se muestra en la Figura 1.

A las moléculas con una separación espacial de carga como la del agua se les conoce como compuestos polares (pues tienen polos de carga eléctrica). En el lado derecho de la Figura 1 se resume esta cualidad marcando dos cargas parciales positivas a los átomos de hidrógeno, y una carga parcial negativa al átomo de oxígeno. Esta última simplificación es muy útil para comprender una gran variedad de las propiedades del agua.

En conjunto, la polaridad de la molécula del agua y su especial geometría determinan todas las demás propiedades del agua. A continuación se presenta una muy breve revisión de algunas de ellas, haciendo énfasis en cómo el comportamiento en el nivel molecular determina los efectos que observamos en el nivel macroscópico.

Los puentes de hidrógeno en el agua

Por su estructura, el agua es un compuesto prototípico para la formación de los llamados puentes o enlaces de hidrógeno. En un puente de hidrógeno, dos átomos con cargas parciales negativas interactúan, atrayéndose de manera indirecta a través de un átomo de hidrógeno de carga parcial positiva.

El átomo de hidrógeno, que funciona como puente, se encuentra unido covalentemente (compartiendo electrones) a un átomo electronegativo como oxígeno o nitrógeno. La polaridad intrínseca de tal enlace hace posible que el átomo de hidrógeno pueda "sentir" al mismo tiempo una atracción electrostática ejercida por un segundo átomo electronegativo, el cual se encuentra ubicado en otra molécula. En un puente de hidrógeno, al átomo electronegativo unido de forma covalente al hidrógeno se le conoce como el "átomo donador"; al otro átomo electronegativo se le conoce como "aceptor" del puente de hidrógeno.

Uno de los ejemplos más sencillos y a la vez más importantes de la formación de puentes de hidrógeno involucra a dos moléculas de agua, según se indica en la Figura 2. En este dímero o par de moléculas unidas que conforman H2O se aprecia que el átomo de hidrógeno de una de las moléculas es atraído por el oxígeno de la otra molécula de agua, sirviendo así como un intermediario o puente para la interacción entre los dos oxígenos. Adicionalmente, las moléculas de agua pueden participar de manera simultánea en puentes de hidrógeno con varias otras moléculas de agua. Tal comportamiento se presenta tanto en el estado líquido como en el sólido. Es importante subrayar que, aparte de las cargas parciales de los átomos del agua (H?+-O?-H?+), como se ha mencionado, es la forma geométrica angular de la molécula lo que permite a una misma molécula funcionar como "donadora" del hidrógeno de hasta dos puentes, al tiempo que como "aceptora" del átomo de hidrógeno en la interacción con otras moléculas de agua. En la Figura 2 se incluye el diagrama de un conjunto de moléculas de agua en el seno del líquido, donde es posible apreciar este fenómeno.

Figura 2. a) Esquema de un dímero de agua. La línea punteada representa la interacción tipo puente de hidrógeno en el dímero. b) Esquema de un grupo de moléculas en el seno del líquido. Las líneas continuas en el líquido muestran la formación de cadenas de puentes de hidrógeno. También se indica la distancia oxígeno-oxígeno en un puente medida en ángstroms (diezmillonésimas de milímetro).

La energía asociada a la formación o ruptura de un puente de hidrógeno individual es de unas 5 kilocalorías por mol, lo cual equivale a aproximadamente un 5 por ciento de la energía de un enlace químico de tipo covalente. Esto hace que a los puentes de hidrógeno se les clasifique como interacciones de tipo débil; de hecho, en el agua líquida dichos puentes son lo suficientemente frágiles como para que exista una continua formación y ruptura de los enlaces de hidrógeno. Aunque se les considere interacciones débiles en comparación con los enlaces covalentes, la energía de un puente de hidrógeno es significativamente mayor que la energía con la que interactúan las moléculas de otros líquidos, por ejemplo el cloroformo, el éter y la acetona.

El tiempo de vida promedio de un enlace de hidrógeno es extremadamente breve: de alrededor de unas diez billonésimas de segundo. La rápida ruptura y formación de interacciones agua-agua hace que exista una incesante fluctuación de la estructura interna del líquido. Junto con la polaridad, esta dinámica hace que el agua sea un excelente fluido para la realización de una gran diversidad de procesos químicos; en particular, para aquellos que requieren la separación y la difusión de especies químicas con cargas eléctricas netas o parciales. Muchos de estos procesos químicos tienen que ver con procesos biológicos como la fotosíntesis, la síntesis de trifosfato de adenosina (ATP), el movimiento de iones a través de las membranas celulares, etcétera.

La disolución de iones y de compuestos polares

La polaridad de la molécula de H2O le permite tener interacciones de tipo electrostático con muchas otras especies químicas que tengan algún grado de polaridad; o bien, con cargas eléctricas netas en sus átomos. Tal es el caso de los compuestos iónicos.

La forma sólida de dichos compuestos está constituida por dos especies en un arreglo cristalino: un catión, de carga positiva, y un anión, de carga negativa. En el caso del cloruro de sodio, la sal de mesa común (NaCl), los iones corresponden al anión cloruro (Cl-) y al catión sodio (Na+). En la Figura 3 se incluye el diagrama de un cristal de NaCl, donde se distinguen ambas especies formando un empaquetamiento tridimensional perfectamente ordenado en el sólido.

Figura 3. Esquema de la disolución de un cristal de cloruro de sodio. Los iones cloruro (Cl ) se indican en gris y los iones sodio (Na+) en verde.

La capacidad del H2O para interactuar fuertemente con los aniones y cationes hace posible que muchos compuestos iónicos puedan disolverse en el agua. En la Figura 3 también se esquematiza la manera como el agua puede separar las cargas de los iones sodio de la carga de los cloruros al disolverse un cristal de NaCl. En la disolución, los aniones quedan rodeados por moléculas de agua con los átomos de hidrógeno proyectados hacia la carga negativa, mientras que los cationes se rodean de los oxígenos del agua. Por otro lado, cuando una molécula polar se encuentra en solución acuosa, las diferentes zonas parcialmente cargadas de ésta interactúan con moléculas de agua orientadas de forma adecuada para neutralizar las cargas parciales.

En conjunto, estas interacciones posibilitan el hecho de que muchos compuestos puedan mantenerse en difusión libre en una solución acuosa. Por ejemplo, en los medios tisular y celular pueden existir decenas de diferentes especies iónicas y polares conviviendo en una misma disolución. Es probable que el agua sea el único líquido con la capacidad de mantener en solución a tal variedad de especies, las cuales tienen que conservar un equilibrio preciso para hacer posible que se lleven a cabo procesos biológicos de enorme complejidad.

El agua en el estado sólido

En el estado sólido, en el cual las moléculas prácticamente carecen de movimientos de traslación y rotación, el agua es capaz de agregarse formando puentes de hidrógeno permanentes. Existen once formas cristalinas o fases sólidas diferentes para el agua. Éstas difieren entre sí por la manera particular como las moléculas se empaquetan en el espacio para formar un sólido. A la existencia de las diversas formas cristalinas se le conoce como polimorfismo del hielo.

Cada uno de los mencionados once estados de agregación puede formarse en cierto intervalo de presión y de temperatura; sin embargo, sólo la fase hielo Ih representa la forma estable a las condiciones de la atmósfera de la Tierra; de ahí que tanto el hielo como la nieve que vemos comúnmente se encuentran en dicha forma sólida. Un aspecto constante en todas las fases sólidas del agua es que cada átomo de oxígeno establece dos enlaces de hidrógeno como "donador" y que, simultáneamente, participa como "aceptor" en otros dos puentes de hidrógeno. Lo anterior se puede apreciar en la Figura 4, donde se muestra el ordenamiento molecular en el hielo tipo Ih. En esta forma sólida, todas las moléculas de H2O se encuentran en un ambiente idéntico, formando enlaces de hidrógeno en las direcciones de un tetraedro. En la Figura mencionada también se incluye un diagrama más extendido que muestra cómo el arreglo periódico de los átomos da origen a una malla de forma hexagonal con los átomos de oxígeno en los vértices.

Los puentes de hidrógeno presentes en el hielo Ih hacen que se obtenga, para este sólido, un empaquetamiento atómico de muy baja densidad (0.917 gramos por centímetro cúbico). Tan baja densidad se debe a que los oxígenos pueden interactuar a una distancia relativamente grande (gracias al hidrógeno que funciona como mediador). Es posible calcular que sólo aproximadamente un tercio del espacio disponible en realidad es ocupado por un oxígeno o un hidrógeno. Este empaquetamiento de átomos implica que para la misma cantidad de masa, el hielo ocupa aproximadamente 9 por ciento más de espacio que el agua líquida. Lo anterior tiene un efecto que todos podemos reconocer cotidianamente: los cubos de hielo flotan en nuestras bebidas y los icebergs flotan en los océanos. Resulta claro que el agua es uno de los mejores ejemplos de cómo nuestra realidad macroscópica está determinada por la manera en que los átomos y las moléculas se relacionan entre sí.

Figura 4. Diagrama del arreglo cristalino en el hielo. a) Formación de cuatro enlaces de hidrógeno alrededor de la molécula de agua central, b) Red cristalina de hielo. Nótese el arreglo hexagonal.

Tensión superficial
Las moléculas de agua que se hallan en la frontera o interfaz entre una fase líquida y una fase gaseosa como el aire, no tienen la misma oportunidad de formar puentes de hidrógeno que las moléculas que se encuentran dentro del líquido y que están completamente rodeadas por otras moléculas de H2O. Esto ocasiona que las moléculas en la interfaz estén sometidas a una fuerza hacia el seno del líquido que no está balanceada del lado de la fase gaseosa. La resultante es que el área superficial de un cuerpo de agua tiende a reducirse al mínimo, para reducir el desbalance de fuerzas. En otras palabras, al minimizar el área superficial se minimiza el número de moléculas con interacciones "faltantes". Esta tendencia a reducir el área, deriva en una tensión en la interfaz líquido-gas conocida como tensión superficial.

Aunque el fenómeno está presente en todos los líquidos, el caso del agua es particular, debido a que la energía de los puentes de hidrógeno le dan una tensión superficial significativamente mayor que la mayoría de las sustancias. La tensión superficial del agua a 25°C es de 72 milinewtons por metro (como punto de comparación, la tensión superficial del alcohol etílico es de tan sólo 22.4 milinewtons por metro). La elevada tensión superficial del agua tiene varias implicaciones importantes. Además de permitirles a algunos insectos caminar por la superficie de los lagos, hace posible que las corrientes de aire sean capaces de inducir un movimiento en la superficie de los cuerpos de agua. Este movimiento redunda en la formación de olas, las cuales son esenciales para la difusión de oxígeno en los mares y océanos.

Propiedades térmicas del agua

La capacidad calorífica es la cantidad de energía en forma de calor que se requiere para elevar en un grado centígrado la temperatura de una sustancia. Dicha propiedad tiene que ver con la eficiencia con la que la energía absorbida redunda en un incremento de la energía cinética o energía de movimiento de las moléculas en una sustancia. El agua resulta ser uno de los líquidos con mayor capacidad calorífica que se conocen: se requiere una caloría por cada grado centígrado que se eleva la temperatura de un gramo de agua (aproximadamente tres veces mayor que en los alcanos, por ejemplo). Esto se debe a que las interacciones H2O-H2O por puentes de hidrógeno son significativamente más fuertes que las presentes en la mayoría de los líquidos. Gracias a ello, cuando un cuerpo de agua absorbe calor, una buena parte de esta energía no se manifiesta directamente en los movimientos de las moléculas, sino en la deformación y la ruptura de los enlaces de hidrógeno. El hecho de que el agua pueda absorber una gran cantidad de calor sin incrementar en gran medida su temperatura la hace un excelente fluido para remover energía térmica de cuerpos muy calientes, como los motores de combustión interna.

La hidratación de las proteínas

Una de las facetas más recientemente reconocidas del agua tiene que ver con su participación en la función de las proteínas. Estas moléculas biológicas son por cadenas (polímeros) formadas por cientos de unidades (monómeros) conocidos como aminoácidos, y son compuestos esenciales para todos los seres vivos, ya que participan de muy diversas formas en la fisiología de los organismos.

En general, las proteínas tienen una estructura tridimensional compleja que suele incluir sitios de reconocimiento de otras moléculas, así como "sitios activos" donde se realizan las transformaciones químicas. Las moléculas de agua juegan un papel esencial en la complicada estructura de estas macromoléculas. Gracias a su capacidad de formar enlaces de hidrógeno, el agua puede estabilizar la estructura proteica mediante interacciones con los aminoácidos polares y iónicos con los que tiene contacto en la superficie de la proteína. Es tal la influencia del agua, que se ha demostrado que las enzimas pierden totalmente su funcionalidad cuando no existe una cantidad suficiente de agua en el medio.

En la Figura 5 se incluye el diagrama de una proteína junto con algunas moléculas de agua que se encuentran formando enlaces de hidrógeno con aminoácidos en la superficie. Como se aprecia, también es frecuente que una o más moléculas de agua funcionen como elementos de conexión entre regiones diferentes de la proteína. Las moléculas de agua logran esa acción al formar puentes de hidrógeno simultáneos en dos puntos diferentes de la estructura; con esto, prácticamente se puede considerar que el HO se integra a la estructura de la macromolécula.

Figura 4. Imagen de una proteína (azul) con un grupo de moléculas de agua interactuando con aminoácidos de su superficie.

Conclusión

Es fascinante descubrir que las propiedades de este pequeño compuesto de tan sólo tres átomos están totalmente determinadas por un arreglo molecular específico y cierta distribución electrónica. Como hemos podido ver, las propiedades físicas y químicas del agua son muy particulares y definen un caso único entre todas las sustancias químicas. Estas propiedades tienen una enorme relevancia en la definición del mundo en que vivimos; no hay duda de que nuestra realidad sería muy diferente si no fuéramos organismos basados, en todos los niveles, en nuestra convivencia con el agua.

Bibliografía

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Soper, Alan K. (2002), "Water and Ice", Science, 297, 1288-1289.
Bloomfield, Louis A. (2000), "Working Knowledge: Cleaning Agents", Scientific American, abril, 88-89.
Levy, Yaakov y José N. Onuchic (2004), "Water and proteins: A love-hate relationship", Proceedings of the National Academy of Sciences, 101, 3325-3326.

Jorge Peón Peralta es doctor en ciencias con especialización en fisicoquímica por la Ohio State University. Realizó estudios posdoctorales en el Instituto Tecnológico de California y es investigador del Instituto de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM, desde 2003. Entre sus principales aportaciones científicas se encuentran los primeros estudios directos de la dinámica de la hidratación de proteínas mediante técnicas de pulsos láser ultracortos. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

El agua
epicontinental
de México

Javier Alcocer

Lagos, presas, ríos y arroyos forman lo que se denomina aguas epicontinentales. Estos cuerpos acuáticos de México son de gran importancia para la vida silvestre, la biodiversidad y el ecoturismo. Para su conservación es urgente desarrollar planes de manejo sustentable.

Quien lea este texto querrá, antes que nada, saber por qué se utiliza la denominación "agua epicontinental" en lugar de "agua dulce". En primer lugar, se utiliza el término "epicontinental" para diferenciar las aguas que se ubican sobre la superficie de los continentes (por ejemplo, ríos, lagos, presas) de aquellas que se encuentran por debajo de ésta, mejor conocidas como aguas subterráneas. La razón por la que se emplea el término "aguas epicontinentales" en vez de "aguas dulces" es simple: no toda el agua epicontinental es "dulce". Aproximadamente la mitad (en área y volumen) del agua epicontinental del mundo es salada; la otra mitad es dulce.

La pregunta siguiente es, ¿cual es la concentración de sal que diferencia el agua dulce de la salina? Aunque no existe razón de peso, por convención se ha aceptado -con algunas bases fisicoquímicas y biológicas- que la concentración límite entre agua dulce y salada es 3 gramos por litro. La razón más fácil para entender por qué se eligió esta concentración es que es precisamente a esa salinidad cuando la mayoría de los humanos comienzan a percibir lo salado.

Existe gran cantidad de lagos y ríos en el mundo que son salados. Algunas veces más salados que el mar (35 gramos por litro); por ejemplo, el Mar Muerto, en Israel, que posee casi medio kilo de sal disuelta en cada litro de agua. Los lagos salados más conocidos en México son Texcoco, en la ciudad de México, y Cuitzeo, en Morelia.

Disponibilidad del agua epicontinental en México

México posee recursos acuáticos epicontinentales limitados, que constituyen tan sólo el 0.1 por ciento del total de las reservas del mundo. Existen dos tipos de aguas epicontinentales: las lénticas (por ejemplo lagos y presas) y las lóticas (como ríos y arroyos). A nivel nacional, los recursos acuáticos lénticos son menos importantes que los lóticos; sin embargo, son recursos fundamentales a escala regional y local.

El uso sustentable del agua y sus recursos requiere de una mejor comprensión y manejo de lo que hasta hoy se ha venido haciendo. Sin embargo, integrar con exactitud información acerca de la distribución, drenaje y suministro de agua en México no es una tarea sencilla, ya que la información colectada por las autoridades federales, estatales y locales encargadas del manejo y planeación del agua es frecuentemente disparatada, rara vez se encuentra disponible y no ha sido recolectada, integrada o analizada por la comunidad científica.

Es esencial conocer la cantidad y ubicación de los recursos acuáticos epicontinentales, para desarrollar planes de manejo sustentable y conservación. Enseguida se presenta una breve semblanza acerca del marco hidráulico, climático, geográfico y geológico de México, de cuya interacción ha resultado un paisaje heterogéneo tanto en lo relativo a la geografía física como al clima. Esto se refleja en una distribución y abundancia muy dispar de los recursos acuáticos epicontinentales en el país.

Como se mencionó, la elevada diversidad climática y fisiográfica en México ha dado por resultado una distribución inestable y heterogénea del recurso acuático continental (SEDESOL, 1993; INEGI, 1995). El promedio del principal suministro de agua dulce en México, el agua de lluvia, es de 700-770 milímetros anuales, aunque varía en un amplio intervalo, desde menos de 100 milímetros en el noroeste de la República, hasta más de mil 500 milímetros en el sureste. Esto se traduce en un volumen de entre 953 mil y 1.57 billones de metros cúbicos. A pesar de lo anterior, la mayoría de la precipitación pluvial se pierde por evapotranspiración (60-72 por ciento) e infiltración (10-20 por ciento), por lo cual tan sólo el 10-28 por ciento (de 311 mil a 410 mil millones de metros cúbicos) circula a través de los ríos (INEGI, 1995; SEDESOL, 1993). Como se aprecia en las cifras anteriores, la precipitación decrece del sureste hacia el noroeste del país.

México posee cuatro zonas climáticas (SEDESOL, 1993; Fi-gura 1). Más de la mitad del territorio (52.7 por ciento) tiene un balance hídrico negativo (áreas desérticas, áridas y semiáridas como Baja California, el noroeste de México y las cuencas interiores); el restante 47.3 por ciento tiene un balance hídrico positivo (las áreas húmedas o subhúmedas como Tabasco, la mayoría de Veracruz, el sur de Sonora, norte y centro de Sinaloa, la costa de Oaxaca, Nayarit y Chiapas). Ambas áreas tienen severos problemas asociados con la disponibilidad del agua. Las sequías son comunes en la primera; las inundaciones en la segunda (INEGI, 1995; SEDESOL, 1993).

La zona árida se localiza en la porción norte de México (21°30'-32°40' Norte y 97°50'-117°08' Oeste), y cubre un área de 1027 051 kilómetros cuadrados (52.47 por ciento de la superficie total del país). A lo largo de la vertiente del Pacífico, del paralelo 28 al Istmo de Tehuantepec, la zona tropical seca cubre 254 mil 927 kilómetros cuadrados (13.01 por ciento).

En esta área hay un déficit de agua con una precipitación de entre 500 y 600 milímetros anuales. La zona templada está delimitada por las Sierras Madre Oriental y Occidental, el Eje Volcánico Transversal y la Sierra Madre del Sur. Cubre una superficie total de 390 mil 241 kilómetros cuadrados (19.92 por ciento). En esta zona el problema principal es la contaminación del agua (SEDESOL, 1993). Finalmente, la zona tropical húmeda (20°35'-23°14' Norte y 87°01'-99°06' Oeste) se extiende a lo largo de la planicie costera del Golfo de México. Esta zona (285 mil 983 kilómetros cuadrados, 14.6 por ciento) posee la biodiversidad terrestre y acuática más grande del país (SEDESOL, 1993).

Los recursos lóticos de México

México se ha dividido en 37 regiones hidrológicas, clasificadas en tres grandes vertientes (Secretaría de Recursos I Hidráulicos, 1976): la vertiente del Océano Pacífico (incluyendo la península de Baja California), la vertiente del Golfo de México y Mar Caribe y, finalmente, las cuencas de drenaje interior o endorreicas (es decir, que no drenan al mar).

Existen cerca de 320 cuencas de drenaje en México (SEDESOL, 1993) que cubren un área de 530 mil 310 kilómetros cuadrados, aproximadamente 27 por ciento del territorio nacional. Hay cuatro vastas regiones que no presentan drenaje superficial: el desierto o Bolsón de Mapimí, el desierto de El Salado y las penínsulas de Yucatán y Baja California. Fuera de estas zonas, tan sólo 34 son consideradas cuencas de drenaje principales, de acuerdo al volumen de agua que transportan. Doce de ellas drenan al Golfo de México y Mar Caribe, trece al Océano Pacífico y nueve son endorreicas.

A través del territorio nacional corren numerosos ríos (Figura 2). Con algunas excepciones -por ejemplo el Lerma-Santiago que es uno de los principales de México-, la mayoría de los ríos que drenan a la vertiente del Pacífico son inmaduros. Los ríos inmaduros son cortos, de gran pendiente y por lo tanto rápidos, con un bajo volumen de descarga y una larga estación de secas que da por resultado un bajo volumen de agua, que hace que no sean navegables. Los principales ríos de esta vertiente son: Colorado, Yaqui, Fuerte, Sinaloa, Culiacán, San Lorenzo, Piaxtla, Presidio, Baluarte, Acaponeta, Lerma-Santiago, Armería, Coahuayana, Balsas, Papagayo, Ometepec, Verde, Tehuantepec y Suchiate.

Por otro lado, los ríos de la vertiente oriental (Golfo de México y Mar Caribe) son maduros. Lo anterior significa que son más largos, de menor velocidad, debido a una menor pendiente, con una estación de secas breve y por lo tanto de gran volumen, y consecuentemente navegables. Entre los principales ríos de esta vertiente se pueden mencionar: Bravo del Norte (Río Grande), Pánuco, Nautla, Tuxpan, Cazones, La Antigua, Cotaxtla, Tecolutla, Jamapa, Papaloapan, Coatzacoalcos, Grijalva, Usumacinta y Candelaria.

Finalmente, los principales ríos de la vertiente interior son: Casas Grandes, Santa María, Carmen, Nazas, Aguanaval y De la Cadena. Aunque el volumen promedio de descarga de los ríos de las cuencas endorreicas es bajo, es extremadamente importante a nivel local, esencialmente porque están ubicados en la región árida o semiárida de la República.

En la vertiente del Golfo de México y Mar Caribe se descarga 58.81 por ciento (245 mil 167.7 millones de metros cúbicos) del volumen de los ríos mexicanos. La vertiente del Pacífico drena 39.22 por ciento (160 mil 855.7 millones de metros cúbicos) y, finalmente, la vertiente interior drena 0.97 por ciento (3 mil 997.6 millones de metros cúbicos) restante. Lo anterior significa que sólo 3 por ciento del volumen total de los ríos fluye en la parte norte de México, mientras que 50 por ciento drena a través de los ríos del sureste.

Ahora bien, esta disparidad en la disponibilidad de agua en México no sólo es latitudinal; también es temporal y altitudinal. La lluvia es la fuente de abastecimiento de la mayoría de los ríos en México; por tanto, hasta 90 por ciento del total anual de drenaje se descarga durante la temporada de lluvias, que abarca de 4 a 6 meses, aproximadamente de mayo a octubre. Sin embargo, durante la temporada fría se presentan breves periodos de lluvias asociados con los "nortes" y los ciclones (SEDESOL, 1993; INEGI, 1995).

Esta distribución desigual es también conspicua en relación a la altitud, ya que 80 por ciento del agua continental se loca-liza por debajo de los 500 metros, y tan sólo un 5 por ciento por encima de los 2 mil metros sobre el nivel del mar. En contra-parte, 76 por ciento de los mexicanos y dos terceras partes de la industria de manufactura y tierras agrícolas y ganaderas están localizados en los altiplanos mexicanos (INEGI, 1995).

Los recursos lénticos de México

Como se mencionó con anterioridad, los recursos acuáticos lénticos (lagos, lagunas y presas; Figura 3) son de menor cuantía que los lóticos. El primer inventario nacional de lagos mexicanos fue elaborado por Tamayo (1962). Posteriormente, el Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI, 1995) proporciona un balance de 2 mil 100 kilómetros cuadrados (14 mil millones de metros cúbicos) de lagos y 4 mil 810 kilómetros cuadrados (107 mil millones de metros cúbicos) para reservorios.

Los grandes cuerpos acuáticos lénticos (es decir, de más de medio millón de metros cúbicos) suman 92 lagos y 611 reser­vorios (Vidal y colaboradores, 1985). La mayoría de los grandes lagos están en Chihuahua y Tabasco (39, o 42.4 por ciento) mientras que Jalisco, Michoacán y Guanajuato tienen la mayor cantidad de presas (224, o 36.7 por ciento). No resulta sorprendente que los reservorios sean más numerosos en aquellas zonas donde existe bajo suministro de agua natural.

Los cuerpos naturales de agua son abundantes en las zonas del Golfo de México y el sureste (37-40 por ciento), en contraparte con las zonas norte (24-26 por ciento), centro (19-21 por ciento) y Pacífico (12-13 por ciento). La mayoría de los lagos (85 por ciento de los aproximadamente 12 mil) son pequeños, con áreas superficiales de entre 0.01 y 0.1 kilómetros cuadrados, y se encuentran ubicados en la región centro occidental del altiplano mexicano. La distribución geográfica de los lagos naturales en México está asociada a las condiciones climáticas como una expresión de la disponibilidad de agua.

Existen ocho lagos cuyas áreas superan los 100 kilómetros cuadrados: Chapala, en Jalisco; Cuitzeo y Pátzcuaro, en Michoacán; Catazaja, en Chiapas; Del Corte, en Campeche; y Bavícora, Bustillos y Encinillas en Chihuahua. Sin embargo, debido a las sequías, algunos de estos lagos se han visto reducidos ampliamente o desecados. Por otro lado, las grandes presas (de más de millón y medio de metros cúbicos) han sido construidas a lo largo de la costa del Pacífico (por ejemplo, Sonora, Sinaloa, Jalisco, Michoacán) así como en la región centro norte (por ejemplo, Coahuila, Chihuahua, Durango), y un número menor -pero no por ello menos importante-en el resto del país.

De acuerdo con la Comisión Nacional del Agua (2005) existen alrededor de 4 mil presas en México, de las cuales 667 están clasificadas como grandes presas, de acuerdo con la definición de la Comisión Internacional de Grandes Presas (International Commission on Large Dams, I COLD). De éstas, 22 poseen una capacidad total de almacenamiento superior a un kilómetro cúbico, y en total representan casi 60 por ciento de la capacidad de almacenamiento del país. Se trata de las presas de El Novillo (Plutarco Elías Calles), El Oviachic (Álvaro Obregón), El Mahone (Miguel Hidalgo y Costilla), El Huamaya (Adolfo López Mateos), El Comedero (José López Portillo), Bacurato (Luis Donaldo Colosio), Lago Torono (La Boquilla), El Palmito (Lázaro Cárdenas), La Amistad (Internacional La Amistad), Don Martín (Venustiano Carranza), Falcón (In­ternacional Falcón), El Cuchillo (Cuchillo Solidaridad), Las Adjuntas (General Vicente Guerrero), Aguamilpa (Solidaridad), Zimapán (Ingeniero Fernando Hiriart), Infiernillo (Infiernillo), Temascal (Presidente Miguel Alemán), El Caracol (Carlos Ramírez Ulloa), Cerro de Oro (Miguel de la Madrid), Peñitas (Ángel Albino Corzo), Chicoasén (Manuel Moreno Torres) y La Angostura (Doctor Belisario Domínguez).

Problemática de las aguas epicontinentales en México

Como se mencionó, las disparidades en la disponibilidad del agua superficial en México son latitudinales, estacionales y en altitud. Esta perspectiva se torna aún más preocupante cuando se considera no sólo la cantidad, sino también la calidad del recurso acuático. Al respecto, Alcocer (2002) expone los desafíos a los que se enfrenta el país en relación con las aguas epicontinentales en México, y que a continuación se resumen.

Urbanización y contaminación acuática

La urbanización es una realidad de nuestros días. El mejor ejemplo se presenta con la ciudad de México, megalópolis que se extiende sobre 750 kilómetros cuadrados y que es hábitat de alrededor de 22 millones de capitalinos. La falta de tratamiento de las aguas residuales, la costumbre de utilizar contenedores abiertos para los residuos sin tratamiento y la falta de control sobre los residuos peligrosos incrementan el riesgo de contaminar tanto las aguas superficiales como las subterráneas con compuestos químicos y microbios.

La contaminación acuática es uno de los retos principales a que se debe enfrentar cualquier programa para el manejo sustentable de los recursos acuáticos superficiales.

Enormes cantidades de desechos domésticos e industriales se han descargado a lo largo de los años en ríos y lagos, generando un deterioro sin precedente de la calidad del agua. Las estadísticas gubernamentales muestran que la mayor parte de las aguas superficiales en el país se encuentran en la categoría de "contaminadas" a "excesivamente contaminadas", y tan sólo algunos pocos lugares no presentan contaminación o ésta es muy leve. Las principales cuencas (Balsas, Grijalva, Lerma, Pánuco y Papaloapan, entre otras) presentan tal grado de contaminación que, aun si fuera posible evitar que se siguieran vertiendo contaminantes en este mismo momento, tomaría entre 10 y 30 años (y enormes costos de operación) su recuperación hasta las condiciones previas a la contaminación.

El subsidio que tradicionalmente ha venido dando el gobierno a las obras de suministro de agua potable y drenaje ha propiciado que se presente un fuerte déficit en el sistema financiero, la pérdida del agua por fugas en el sistema de transporte y por uso ineficiente, y la falta o deficiente tratamiento de las aguas residuales que se han traducido en contaminación. De especial importancia es la pérdida de agua debido a la gran cantidad de fugas que se presentan por el mal estado de las tuberías de agua potable; baste mencionar que éstas podrían satisfacer las demandas de una ciudad del tamaño de Roma.

Agricultura: un problema enorme

La irrigación de cultivos emplea dos terceras partes del agua que se usa en todo el mundo; esta cifra asciende hasta el 90 por ciento en los países en desarrollo. La irrigación de las zonas áridas o semiáridas en el país ha llevado a la desecación de innumerables cuerpos acuáticos. A pesar de que existen tecnologías que pueden reducir a la mitad la demanda de agua para riego con la misma o mayor eficiencia, la inundación de terrenos es aún el método preferido por los agricultores mexicanos. Es muy claro que la agricultura en las zonas norte y centro del país sería imposible sin irrigación; sin embargo, la falta de agua superficial en esas regiones ha propiciado la sobreexplotación de los mantos acuíferos. De esta manera, los cuerpos acuáticos superficiales están expuestos a la desecación por dos lados: por arriba (superficie) y por debajo (agua subterránea).

Existen innumerables ejemplos del proceso de desecación gradual de los cuerpos acuáticos superficiales. Los cuatro lagos de Valle de Santiago, en Guanajuato, ilustran este problema (Alcocer y colaboradores, 2000). La agricultura, actividad preponderante hoy en día, ha eliminado prácticamente la vegetación natural de la cuenca. Evidencia histórica (paleolimnológica) indica que la zona comenzó a ser modificada hace unos mil 400 años, cuando se introdujo el cultivo del maíz. La adopción de las prácticas de cultivo europeas, hace alrededor de mil 100 años, intensificaron la alteración de la región. La falta de recursos superficiales conllevó la reducción del manto acuífero hasta en 2.5 metros al año. Hoy día, los lagos San Nicolás de Parangueo y Cíntora están secos, mientras que Rincón de Parangueo y La Alberca se encuentran muy cerca de estarlo. El nivel original de estos dos últimos lagos era de alrededor de 50 metros de profundidad. Para 1985, La Alberca tenía 35 metros, 10 metros en 1995 y sólo algunos centímetros en 2002. Por otro lado, Rincón de Parangueo tenía 7.5 metros en 1995, y casi está seco al presente.

Además de los requerimientos de agua para la agricultura, no debe olvidarse que también es una fuente importante de contaminantes a través de la aplicación de fertilizantes y pesticidas. El drenaje agrícola acarrea fertilizantes que propician la eutrofización (el crecimiento desmedido de microorganismos acuáticos, con el consecuente agotamiento de oxígeno) de lagos y embalses, mientras que los pesticidas resultan tóxicos para los humanos y otros organismos.

Limnología y política Históricamente, las razones del gobierno para tomar decisiones acerca del uso de las aguas continentales y su manejo responden más bien a presiones sociales y políticas. La comunidad científica rara vez es consultada, debido a la falta de reconocimiento que existe del papel que juega la ciencia, en este caso la limnología (el estudio de cuerpos de aguas dulce), en el desarrollo del país.

Existen algunas excepciones cuando, por ejemplo, ocurren desastres naturales. Éste fue el caso de la Presa de Silva, en Guanajuato, en la que se presentó la muerte masiva de alrededor de 25 mil aves acuáticas a fines de 1994 e inicios de 1995. En respuesta a las presiones sociales, ecológicas y políticas (un buen número de las aves muertas se encontraban migrando desde Canadá y los Estados Unidos hacia México), se inició un estudio profundo con la intervención de numerosos científicos. Desafortunadamente no existía información limnológica previa acerca de la Presa de Silva que ayudara a discernir las causas de la muerte. En conclusión, no se pudo determinar con certeza la causa de la muerte de las aves.

El gobierno gasta enormes cantidades en actividades de manejo ineficiente de agua y con pobre fundamento científico. Para la toma de decisiones, el gobierno comúnmente depende de estudios a corto plazo que no pueden distinguir entre los cambios naturales y los inducidos por el ser humano. El caso del lago de Pátzcuaro es un buen ejemplo.

La construcción de canales artificiales en el extremo sur del lago de Pátzcuaro inició a principios de la década de 1980 y concluyó en el 2000. La idea de esta obra fue prevenir que los sedimentos acarreados de la cuenca, producto de la deforestación, entraran al lago. La decisión para realizar esta enorme inversión (estimada en un millón de dólares por año, sólo en costos de operación) se basó en la premisa de que la acumulación de sedimentos era el agente responsable de la reducción de la profundidad del lago.

Pero estudios recientes (Bernal-Brooks y colaboradores, 2002; Gómez-Tagle Chávez y colaboradores, 2002) indicaron que la reducción del área superficial y el volumen del lago están relacionadas con un clima más seco a escala regional, prevaleciente en los últimos 20 años, y no con la sedimentación. Chapala, en Jalisco, y Cuitzeo y Zirahuén, en Michoacán, todos ellos localizados en diferentes cuencas, muestran una tendencia de reducción similar, hecho sintomático de la sensibilidad climática que muestran los lagos de la zona cen­tral del país.

Conclusiones

Muchos de los cuerpos acuáticos continentales de México son de gran importancia para la vida silvestre, la biodiversidad y el ecoturismo. Asimismo son esenciales para las diversas actividades humanas, incluidas la agricultura, el desarrollo industrial y urbano y las economías locales. Con el fin de poder garantizar su uso sustentable, es urgente que se dirijan recursos y esfuerzos considerables a su investigación científica y a programas de conservación. Finalmente, es de primordial importancia considerar que las acciones que se implementen sean aplicadas a escala regional (no local, municipal ni estatal, sino a nivel de cuenca hidrológica).

Bibliografía

Alcocer, J. (2002), "Surface water. Major cha­llenges in Mexico", Lakeline, 22, 28-31.
Alcocer, J., E. Escobar y A. Lugo (2000), "Water use (and abuse) and its effects on the crater-lakes of Valle de Santiago, Mexico", Lakes & Reservoirs: Research and Management, 5, 145-149.
Bernal-Brooks, F. W., A. Gómez-Tagle Rojas y J. Alcocer (2002), "Lake Patzcuaro (Mexico): A controversy about the ecosystem water regime approached by field references, climatic variables and GIS", Hydrobiologia, 467, 187-197.
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Gómez-Tagle, A., F. W. Bernal-Brooks y J. Alcocer (2002), "Sensitivity of Mexican water bodies to regional climatic change: Three study alternatives applied to remote sensed data of Lake Patzcuaro", Hydrobiologia, 467, 169-175.
INEGI (Instituto Nacional de Estadística, Geo­grafía e Informática) (1989), Datos básicos de la geografía de México, México, INEGI.
INEGI (Instituto Nacional de Estadística, Geogra­fía e Informática) (1995), Estadísticas del medio ambiente, México, INEGI.
SEDESOL (Secretaría de Desarrollo Social) (1993), México. Informe de la situación actual general en materia de equilibrio ecológico y protección al ambiente 1991-1992, México, Secretaría de Desarrollo Social, Instituto Nacional de Ecología.
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Tamayo, J. L. (1962), Geografía general de México II, México, Instituto Mexicano de Investigaciones Económicas.

Javier Alcocer es jefe del proyecto de investigación de limnología tropical (pILt) de la Facultad de Estudios Superiores Iztacala, de la Universidad Nacional Autónoma de México. Ha sido vicepresidente y presidente de la Asociación Mexicana de Limnología. A. C. Es miembro de la Academia Mexicana de Ciencias (amc), de la Red del Agua de la AMC y del Sistema Nacional de Investigadores. Fue vicepresidente y es member at large de la Internacional Society for SALT Lake Research (isslr). Su área de investigación es la limnología. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

El agua
en la atmósfera

Amparo Martínez Arroyo

Aunque la cantidad de agua contenida en la atmósfera constituye una mínima parte de la existente en nuestro planeta, su importancia es vital: participa en procesos de regulación de temperatura, en el ciclo del agua, en fenómenos climáticos e, incluso, en desastres naturales.

El agua contenida en la atmósfera de nuestro planeta (en forma de vapor, nubes y pequeños cristales de hielo) representa alrededor de 0.0009 por ciento de toda el agua del planeta. ¿Por qué ocuparnos de estudiarla entonces?

Empecemos señalando que esa proporción tan pequeña de agua está en el centro de los procesos que determinan el clima, el ciclo hidrológico, la química atmosférica y el desarrollo de la vida.
La forma principal del agua atmosférica es el vapor de agua; cuando nos referimos a la cantidad de este contenido en el aire lo llamamos "humedad". Aunque no sea tan visible como las formas líquidas o sólidas (nubes, neblinas, lluvia, nieve, granizo), el vapor de agua está siempre presente en la atmósfera, incluso en los desiertos.

Entender cómo se comporta el agua en la atmósfera, de qué depende su cantidad, cuándo y en dónde va a precipitarse, si lo hará en forma de lluvia, nieve o helada, si habrá poca o si habrá demasiada, han sido necesidades e interrogantes del hombre desde tiempos primitivos ...y lo siguen siendo. A lo largo del tiempo, algo hemos avanzado en su estudio, aunque también en introducir más complicaciones, como la contaminación del aire y los cambios del uso de suelos y de las superficies de captación del agua, por sólo mencionar algunas.

Para analizar el papel que juega la presencia de agua en la atmósfera -y cómo lo juega— es conveniente considerar brevemente el flujo de la energía en el sistema Tierra, así como darle un repaso a las características de la atmósfera y del ciclo hidrológico global.

Figura 1. Espectro de absorción de distintas longitudes de onda por los principales gases de efecto invernadero.

El Sol es la principal fuente de energía de nuestro planeta. La Tierra absorbe energía solar y emite energía propia; si absorbe más energía de la que irradia, se calienta, y si es al contrario se enfría.

El Sol emite radiación electromagnética que va desde las longitudes de onda muy cortas, como los rayos X, la luz ultravioleta y la radiación visible, hasta la infrarroja y longitudes de onda más largas, como las ondas de radio. La cantidad de radiación solar que llega a la superficie exterior de nuestro planeta está básicamente determinada por nuestra distancia al Sol y es relativamente constante.

El papel de la atmósfera

La capacidad que tienen las diferentes superficies para reflejar una determinada fracción de la energía solar que reciben se conoce como albedo. Del total de radiación solar que llega a la Tierra anualmente, una tercera parte es reflejada inmediatamente al espacio por la superficie del planeta, las nubes, la nieve y los hielos, por lo que se puede decir que la Tierra tiene un albedo promedio de 30 por ciento (o 0.3). Las regiones polares son las áreas con más reflexión en la superficie terrestre.

En la atmósfera, que es la capa de gases que recubre la superficie de nuestro planeta, las moléculas de ozono (forma de oxígeno formada por tres átomos), de vapor de agua, una parte de las nubes y en menor medida algunos otros gases y partículas tienen la propiedad de absorber una fracción de la radiación solar que incide (19 por ciento), evitando que llegue a la superficie terrestre. Esta absorción se da principalmente en longitudes de onda corta (ultravioleta) o muy larga. Sin embargo, hay otras longitudes de onda, como las correspondientes a la luz visible y parte de la infrarroja, a las que la atmósfera es prácticamente transparente, por lo que constituyen la mayor parte del restante 51 por ciento de radiación solar que finalmente llega a continentes y océanos. La energía solar no llega uniformemente a toda la superficie del planeta, y es mayor la energía recibida en las regiones tropicales y subtropicales.

La superficie terrestre, luego de absorber esta entrada de energía, la reemite a su vez en forma de radiación de onda larga o infrarroja. Gracias a la capacidad de absorción, principalmente del vapor de agua pero también de otros gases, se da el llamado efecto invernadero, en el cual gran parte de esa energía saliente es capturada por la atmósfera y regresada a la superficie terrestre, proceso que modula la pérdida de calor y resulta en una temperatura global promedio en el planeta de alrededor de 15 grados centígrados.

Esta temperatura hace posible, entre otras cosas, que el agua se encuentre presente en sus tres fases, lo que permite el almacenamiento, transporte y redistribución de la energía y da lugar al sistema climático característico de este planeta. El balance entre energía entrante y saliente se complementa con radiación terrestre con longitudes de onda que no son absorbidas por la atmósfera, por lo que escapan al espacio; a esta región del espectro electromagnético se le llama ventana atmosférica.

En los miles de millones de años que tiene nuestro planeta, han sido muchos los procesos y las circunstancias que han determinado las características y la composición de su cobertura gaseosa. Entre ellos están su distancia al Sol y la generación de un campo magnético que la protege del viento solar; la fuerza de gravedad, que le permitió constituir una atmósfera al retener a la mayor parte de los elementos y compuestos atmosféricos; la generación biológica de oxígeno, que permitió la existencia de una capa de ozono que filtra la radiación ultravioleta; una atmósfera químicamente oxidante, en lugar de reductora, y finalmente la presencia en pequeñas concentraciones de compuestos que permiten la entrada de la radiación solar pero atrapan la emitida por la superficie terrestre (gases de efecto invernadero), permitiéndole conservar una temperatura promedio que favorece los procesos biológicos.

El agua en la atmósfera cumple un doble papel respecto a la radiación. Como vapor de agua, es el gas natural de efecto invernadero más importante, tanto por su volumen como por su amplia capacidad de absorción. Las nubes, por su parte, impiden la entrada de una fracción importante de radiación solar, evitando un mayor calentamiento, a la vez que retienen y regresan hacia la superficie la radiación terrestre. Por ese efecto, en sitios donde la humedad y las nubes son escasas, como en los desiertos, los días son muy calurosos y las noches muy frías.

Figura 2. Estructura de la atmósfera: altura y temperatura de las diferentes capas.

El agua en las capas de la atmósfera

La atmósfera de la Tierra está constituida por capas de diferentes características, clasificadas de acuerdo con su perfil térmico. Sólo en las tres más cercanas a la superficie terrestre se ha detectado presencia constante de agua. En la mesosfera (aproximadamente de 50 a 90 kilómetros), la capa más fría de la atmósfera (alrededor de -85 grados centígrados) y considerada prácticamente seca, se encuentran nubes formadas por cristales de hielo. A estas nubes se les llama mesosféricas polares o noctilucentes, y sólo son observables por la noche desde posiciones cercanas a los polos.
La estratosfera (aproximadamente de 15 a 50 kilómetros), con una temperatura que alcanza los 20 grados centígrados debido al calentamiento que produce la absorción de radiación ultravioleta por parte de la llamada capa de ozono, contiene menos de 1 por ciento de agua. Existe un programa de mediciones que da seguimiento a su concentración, y que ha detectado variaciones en años recientes.

La troposfera es la parte inferior de la atmósfera (de 0 hasta aproximadamente 12 kilómetros), en donde se desarrollan el clima y la vida. Contiene tres cuartas partes de la masa de la atmósfera y alrededor de 99 por ciento del agua atmosférica; su profundidad varía con la latitud y la estación del año. La energía solar no calienta sensiblemente a esta capa, por lo que su calentamiento se debe a la radiación que viene de la superficie terrestre. Su temperatura, por tanto, disminuye con la altura (aproximadamente 6.5 grados centígrados cada kilómetro), lo cual da origen a una estructura térmica que provoca movimientos verticales (convectivos) de corrientes de aire que favorecen la mezcla atmosférica, transportan el agua y pueden extenderse hasta el inicio de la estratosfera.

Composición atmosférica

La concentración del vapor de agua en la atmósfera es muy variable espacial y temporalmente, pero su proporción promedio en un volumen mezclado de aire es del orden de 1 por ciento, por lo que puede considerarse el tercer gas más abundante en la atmósfera. El aire "seco" está compuesto de ni-trógeno (78.08 por ciento), oxígeno (20.88 por ciento) y argón (0.93 por ciento). Alrededor de 0.1 por ciento de la proporción del volumen mezclado total corresponde a los otros gases de efecto invernadero (dióxido de carbono, metano, óxido nitroso y ozono). La atmósfera también contiene aerosoles (pequeñas partículas sólidas y líquidas en aire) que interactúan con la radiación solar y terrestre, de acuerdo con su ubicación espacial, composición química y concentración. Además, el agua está presente en fase líquida y sólida. La mitad del agua atmosférica se concentra en los dos primeros kilómetros. En adelante, al analizar el agua en la atmósfera el término se referirá únicamente a la que está presente en la troposfera.

El ciclo del agua

Prácticamente todos los elementos y compuestos químicos se reciclan en nuestro planeta mediante una serie de procesos físicos, químicos y biológicos. Se llama ciclos biogeoquímicos al paso de ciertos elementos o compuestos (como el agua) por los cuatro grandes compartimentos o reservorios del sistema Tierra (atmósfera, hidrosfera, litosfera y biosfera).

Nuestro clima, en última instancia, es resultado de un equilibrio constantemente reajustado entre el agua, la atmósfera, la energía solar y la terrestre. El ciclo del agua es central en este equilibrio y representa el movimiento más grande de una sustancia química en la superficie de la Tierra. Sus mecanismos básicos son bien conocidos, sobre todo los que se llevan a cabo en océanos y continentes; sin embargo, hay aún muchos detalles que son todavía motivo de mucha investigación en la fase de vapor de agua y nubes. Los principales procesos involucrados en el movimiento del agua entre los distintos depósitos son evaporación, condensación, transporte, precipitación, escorrentía (escurrimiento de agua por la superficie del terreno), infiltración y transpiración.

Figura 3. Distribución latitudinal de vapor de agua y temperatura. Perfil vertical.

La mitad de la energía solar recibida anualmente en la superficie terrestre se utiliza para evaporar agua de los continentes y océanos. La evaporación ocurre cuando las moléculas en un líquido adquieren suficiente energía cinética (de movimiento) para escapar de la fase líquida y pasar a la fase gaseosa, superando la tensión superficial y la cohesión en la superficie del agua líquida. La ruptura de los enlaces de hidrógeno que mantienen unidas a las moléculas de agua en fase líquida requiere energía, por lo que el proceso se realiza más rápidamente mientras mayor sea la temperatura. A bajas temperaturas la evaporación es más lenta. Básicamente es el mismo proceso para la transpiración, sólo que ésta ocurre en la superficie del suelo y en organismos.

Cuando el vapor que entra en la atmósfera alcanza el punto de saturación del aire (es decir, cuando éste contiene todo el vapor de agua que le es posible contener a esa temperatura), las moléculas excedentes se condensan formando gotas o cristales de hielo. La evaporación y la condensación son procesos continuos que generan y redistribuyen calor, transportándolo y transformándose todo el tiempo entre vapor, líquido y cristales de hielo, dependiendo de la temperatura y presión del aire.

Mientras mayor sea la temperatura del aire, podrá contener más vapor de agua. De ahí que el concepto de humedad relativa sirva para indicar, en porcentaje, la cantidad de vapor de agua que contiene una porción de aire, en relación con la que puede contener dada su temperatura. Una humedad relativa de 100 por ciento indica que esa porción de aire no puede contener más vapor. Si la temperatura del aire baja, disminuye la cantidad de vapor que puede contener y todo el exceso se condensará. Si la temperatura del aire saturado aumenta, aumentará su capacidad de contener vapor de agua y disminuirá la humedad relativa.

Estos conceptos son útiles para entender por qué los movimientos verticales (convección) y horizontales (advección) del aire ocasionan procesos de evaporación o condensación, según sea el cambio de temperatura no sólo de la superficie hacia la atmósfera, sino en la atmósfera misma.

En el mar la evaporación es mayor que la precipitación, mientras que en los continentes llueve más de lo que se evapora. Esto quiere decir que hay una transferencia neta de agua del mar a los continentes, lo cual se compensa parcialmente con el aporte que ríos, escorrentías y aguas subterráneas hacen, tarde o temprano, al mar.

En algunas nubes las pequeñas gotas entran en un proceso de colisión e incrementan su volumen miles de veces, hasta que son demasiado pesadas para seguir en el aire. La parte atmosférica del ciclo concluye con su precipitación en forma de lluvia, nieve o granizo.

Puesto que la atmósfera es un reservorio de agua pequeño en comparación con océanos y continentes, la transferencia a otros reservorios debe ser rápida. Se calcula que el tiempo de renovación de toda el agua atmosférica es de alrededor de nueve días. Si esto se compara con los 10 años de vida atmosférica del metano y los más de 50 años del dióxido de carbono, se entiende que el corto tiempo de residencia del agua no conduzca a un mezclado más homogéneo, lo que hace aún más desigual su distribución global.

Los tiempos de residencia del agua en océanos, glaciares, aguas subterráneas, ríos, lagos, rocas, suelos y organismos van de semanas a cientos y miles de años. Este almacenamiento temporal modula la velocidad del ciclo hidrológico global.

La relevancia de cada proceso varía regionalmente. Por ejemplo, casi 70 por ciento de la evaporación terrestre tiene lugar en las latitudes tropicales. En selvas tropicales húmedas la mitad del total de la precipitación anual retorna al aire por transpiración de la vegetación, una cuarta parte por evaporación de cuerpos de agua y el resto se regresa al mar.

El vapor de agua en la atmósfera

Muchas actividades en la superficie terrestre, incluyendo el grado de bienestar de las personas y los ecosistemas, además de muchas actividades productivas, dependen de la cantidad de humedad en la atmósfera. Por eso los científicos atmosféricos han desarrollado instrumentos tanto materiales como teóricos para medir, analizar, describir y predecir la cantidad y distribución del agua en la atmósfera.

Figura 4. Distribución latitudinal de vapor de agua y temperatura. Perfil vertical.

La importancia del agua atmosférica no radica sólo en su volumen, sino principalmente en su dinámica. Tomemos el ejemplo de la llamada agua precipitable; si todo el vapor de agua en la atmósfera se condensara al mismo tiempo y cayera, su volumen cubriría la Tierra con una capa de 25 milímetros de profundidad, en promedio. Dado que el vapor de agua no está distribuido homogéneamente en la atmósfera, podemos considerar que en el ecuador la profundidad de la capa sería de unos 50 milímetros, mientras en los polos sería de alrededor de 2.5 milímetros. Sin embargo, la precipitación anual promedio en el planeta es de un metro (1 000 milímetros), lo que significa que el agua precipitable debe reciclarse unas 40 veces (1 000/25 = 40) a lo largo del año.

El agua que se transporta en la atmósfera está muy ligada a la circulación atmosférica y a los patrones de temperatura. Su distribución no es uniforme a nivel vertical ni horizontal. Frente a las zonas húmedas y lluviosas presentes en latitudes ecuatoriales y latitudes medias, tenemos las zonas de desiertos, con altas temperaturas y humedades relativas menores a 20 por ciento, ubicadas en latitudes subtropicales.

En el plano temporal, la distribución del vapor de agua presenta variaciones a escalas desde milisegundos a décadas. Las fluctuaciones más rápidas son debidas a la turbulencia cerca de la superficie, relacionada con los vientos y la evaporación. Las nubes trasladadas por vientos son otra forma de redistribución de vapor. Hay patrones estacionales, así como brisas de mar a tierra y de tierra a mar que ocurren a lo largo del día en zonas costeras. Hay eventos que, con una periodicidad mayor (por ejemplo el llamado Oscilación del Sur El Niño, que se presenta aproximadamente cada 4 a 7 años) en los que el movimiento de masas de agua de alta temperatura en el Pacífico sur, entre muchos otros efectos, altera el acoplamiento océano-atmósfera en términos de zonas de evaporación y precipitación, y modifica temporalmente los patrones de humedad y lluvias en diversas zonas del planeta.

Por otra parte, el agua en la atmósfera no sólo involucra procesos físicos. Hay infinidad de interacciones del agua atmosférica cuyo estudio tiene más niveles de complejidad y requiere la participación de otras disciplinas.

Formación y distribución de nubes

Las nubes se forman al enfriarse el aire con vapor de agua hasta el punto de condensación (o punto de rocío). Para formar nubes no sólo se requieren gotas de agua, sino que éstas cuenten con un sustrato o superficie donde condensarse. A las pequeñas partículas en el aire que cumplen esta función se les llama núcleos de condensación de nubes. Las nubes que se forman en temperaturas del aire bajo cero grados centígrados forman cristales de hielo de diferentes formas, que van creciendo también sobre núcleos de condensación.

Las gotas de agua en las nubes tienen diámetros que van desde unos cuantos micrómetros (milésimas de milímetro) a más de 100 micrómetros (o sea, una décima de milímetro). Aquí también hay una cierta diferenciación espacial: las nubes continentales están hechas de muchas gotas pequeñas, mientras las marinas tienen menos gotas, pero más grandes. Un litro de aire puede tener entre 25 mil y un millón de gotas, más para que caigan como lluvia las gotas necesitan alcanzar un tamaño de alrededor de un milímetro.

Figura 5. Instrumentos sencillos para medir humedad en la atmósfera (psicrómetro e higrómetro de cabello)

Algunas nubes generan lluvia, otras no. Las nubes bajas o estratos sólo producen llovizna o niebla, mientras que sólo las nubes tropicales verticales generan granizo. Las nubes altas difícilmente forman precipitación. De hecho, la mayoría de las nubes no se precipita, sino que pasa por varios ciclos de evaporación-condensación. Las nubes alcanzan mayor altura cerca del Ecuador, y se desarrollan a menor altura cerca de los polos.

De acuerdo con la altura a la que se encuentra su base, las nubes se pueden clasificar como altas, medias y bajas. Constituyen una categoría aparte las gigantescas nubes desarrolladas verticalmente desde la superficie de los mares cálidos, que llegan a tener 15 kilómetros de altura, millones de toneladas de agua y se pueden formar en menos de una hora.

Agua atmosférica y contaminación

El proceso de destilación natural que se logra con la evaporación (el agua se evapora dejando atrás sales y otros compuestos acompañantes) se enturbia debido a la contaminación del agua atmosférica. Esta contaminación no sólo afecta los sitios en donde se emite, sino que tiene la potencialidad de ser transportada, mezclarse con otros contaminantes y alterar el agua de lluvia en varias "generaciones" de nubes, hasta finalmente ser precipitada a la superficie.

En el interior de una nube, gotas de agua (o cristales de hielo), gases y partículas (núcleos de condensación de nubes) llevan a cabo de manera continua numerosas reacciones químicas. La parte soluble de las partículas entra a las gotas y participa en sus reacciones. La composición de los núcleos de con­densación depende de si su origen es natural (proveniente de desiertos, erupciones volcánicas, el mar, organismos vivos) o producto de actividades humanas. Las partículas menos solubles, como polvo y polen, pueden quedarse en el aire sin reaccionar hasta que son arrastradas por lluvia o transportadas a otros sitios. Algunos gases también logran penetrar a las gotas, cambiando las características del agua de lluvia. Es el caso de la lluvia ácida, que impacta negativamente los sitios en que se precipita, contaminando lagos y otros ecosistemas y dañando construcciones. Los gases que participan en estas reacciones son producto de la actividad humana, comúnmente ácido sulfúrico y ácido nítrico.

La contaminación tiene también efectos climáticos, ya que el exceso de aerosoles antropogénicos (producidos por el hombre), que actúan como núcleos de condensación, está llevando a un aumento en la cantidad de gotas formadas, lo cual resulta en un incremento del albedo de la nube, pero también en la formación de gotas más pequeñas, lo que disminuye la posibilidad de lluvia y aumenta el tiempo de vida de la nube.

Interacciones biológicas

Siempre se ha admitido fácilmente la influencia de los factores físicos y químicos del ambiente sobre los organismos vivos, pero no ha sido fácil lograr que lo contrario sea también reconocido. Por ello dedicaremos unos renglones a comentar dos aspectos del papel que juegan los microorganismos y otras partículas biológicas en procesos relacionados con la formación de nubes, la precipitación y la calidad del agua de lluvia.

El congelamiento del agua en las nubes es un paso crítico en muchas regiones del planeta, necesario para propiciar la precipitación. Durante años, científicos de la atmósfera y microbiólogos sospecharon que algunos microorganismos que se encuentran en abundancia en partes altas de la troposfera participaban como núcleos de condensación de hielo. Principalmente se consideró a ciertas bacterias que producen una proteína en su membrana externa, que es un compuesto activo natural que cataliza en forma muy eficiente el proceso de congelamiento del agua.

Figura 6. Diferentes tipos de nubes en el Pacífico mexicano. Las dos primeras picales son típicas de zonas tropicales

Muchas de las bacterias son emitidas a la atmósfera por procesos de aerosolización relacionados con prácticas agrícolas o cambios en el uso del suelo, pero hace falta mucho trabajo interdisciplinario para entender mejor los mecanismos involucrados en todo el proceso. Por otra parte, dado que la atmósfera es un ambiente de transporte para numerosos organismos con un tamaño o flotabilidad adecuados, es frecuente que algunos de ellos se vean incorporados al transporte vertical de masas de aire y se incorporen a procesos microfísicos en las nubes. De hecho, la probabilidad de supervivencia de muchos microorganismos se incrementa en un ambiente hidratado.

La posibilidad de transporte y distribución de bacterias que causan enfermedades a través de su incorporación como núcleos de condensación y posterior precipitación ha sido motivo de diversos estudios. En algunos se ha comprobado la presencia de ciertos tipos de bacterias patógenas en el agua de lluvia; pero no se tiene una estimación clara sobre la magnitud y alcance de estos transportes.

Como otro ejemplo de interacción biológica, en este caso positiva, está la emisión, por parte de comunidades del fitoplancton marino, de un gas (sulfato de dimetilo) que es la principal fuente biogénica de núcleos de condensación de nubes en la atmósfera marina. La producción de núcleos de condensación de nubes naturales en zonas marinas de alta evaporación se ha visto como un posible mecanismo anticalentamiento, pues al incrementar la cobertura nubosa, y con ello disminuir la entrada de radiación solar, quizá contribuya a frenar el aumento de temperatura en el planeta. Sin embargo, hasta ahora el proceso más bien parece funcionar como un ciclo que se retroalimenta: al generarse más núcleos de condensación de nubes, se forman más nubes; éstas disminuyen la cantidad de luz, y al disminuirla se afecta la actividad fotosintética del fitoplancton, por lo que éste disminuye, así como los núcleos de condensación de nubes, y posteriormente las nubes, reiniciándose todo el proceso.

Cambio climático y agua atmosférica

Como hemos visto, el agua en la atmósfera tiene un papel muy activo climáticamente: en la entrada y salida de energía, la redistribución del calor en la atmósfera y el movimiento del agua entre regiones distantes. Toda modificación espacial o temporal del contenido de agua en la atmósfera tiene como consecuencia un cambio en las condiciones de la superficie terrestre. Sequías e inundaciones, huracanes y tornados tienen relación con la cantidad de agua en la atmósfera y su comportamiento. Por ello se sigue con atención cualquier señal que pueda indicar cambios de largo plazo. El análisis de datos globales de los últimos 30 años muestra un incremento de agua precipitable en todo el mundo excepto en una porción de Canadá, donde disminuyó. Estos cambios se asocian a elevación y disminución de temperaturas, respectivamente, durante el mismo periodo. No es extraño encontrar que aumentos de temperatura resulten en aumentos de evaporación; sin embargo, no están claras todas las implicaciones que eso puede tener combinando situaciones como la de una mayor formación de nubes con gotas más pequeñas que no se precipitan. Los cambios en los patrones de lluvias en diferentes regiones, evidentemente, tendrían consecuencias para la economía y la vida de muchas personas. La esperanza de todos los científicos y profesionistas relacionados con el agua es poder entender todos los procesos del compuesto en la atmósfera e influir en ellos, de manera que este elemento indispensable para nuestro planeta siga siendo aliado y sustento de la vida y contribuya cada vez más al bienestar de la humanidad.

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Páginas de internet sobre el tema
Animaciones: http://www.cira.colostate.edu/Climate/webloop/nvap_webloop.html
Imágenes cristales de hielo en nubes: www.snowcrystals.com Global energy and water cycle experiment. Global vapor water project (2006) http://www.gewex.org/gvap.html
Amparo Martínez Arroyo es bióloga y maestra en ciencias biológicas por la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional Autónoma de México (unam). Realizó su doctorado en el Departamento de Ecología de la Univer­sidad de Barcelona, y una estancia de investigación en el Instituto de Cien­cias del Mar de la misma ciudad. Es especialista en ecosistemas acuáticos e investigadora en el Centro de Ciencias de la Atmósfera de la UNAM, donde dirige el grupo de aerosoles atmosféricos en el Departamento de Ciencias Ambientales. Su línea de investigación son los procesos de interacción atmós-fera-biosfera-hidrosfera y su relación con la variabilidad y el cambio climático. Ha desarrollado diversos proyectos de investigación, particularmente relacio­nados con la fotosíntesis acuática en ecosistemas marinos y continentales, con producción y captura biogénica de gases en el sistema océano-atmósfera, con el papel ambiental de cuerpos de agua en zonas urbanas y con los patrones de distribución de contaminantes microbiológicos en zonas costeras y playas. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

El agua
marina

Adolfo Gracia-Gasca, Raúl Gío-Argáez y Adriana Gaytán Caballero

La contaminación y la extracción irracional de numerosos recursos, han alterado el equilibrio del ecosistema marino. Por esto, resulta impostergable la intervención de científicos con un enfoque multidisciplinario y sistemático, para la recuperación de este complejo medio.

El hombre y su interés por el mar

Durante muchos años la especie humana se ha interesado por el ambiente que le rodea. Ello se ha visto reflejado en las obras de la literatura antigua, donde se ponen de manifiesto las creencias y sentimientos religiosos respecto del entorno. En la mitología griega se narran las historias que tratan de la vida y hazañas de los "seres superiores" de la antigüedad, pero no todo lo que se refiere en estas fábulas es ficción; algunas de ellas descansan sobre fundamentos históricos y hechos de la naturaleza.
De los grandes dioses, el más antiguo era el Cielo o Coelus, que desposó a la Tierra o Titea. De este matrimonio nacieron hijos; entre los más célebres estuvieron Saturno y Océano. El padre persiguió cruelmente a sus hijos, pues recelaba de su poder, genio y audacia. Por ello, Saturno lo atacó y le redujo a la condición de siervo, y ocupó en su lugar el trono del mundo. Finalmente, Saturno le cortó los genitales a su padre lanzándolos al mar; en ese momento se produjo una espuma que se transformó en Venus (la diosa del amor), quien se transportó en una valva de molusco hasta llegar a la playa (Figura 1a). Neptuno (Figura 1b), hijo de Saturno y Cibeles, fue conocido como dios del mar y se casó con su prima Anfítrite, hija de Océano. Todos los pueblos griegos rindieron culto a Neptuno; sentían por él un temor profundo, y le levantaron innumerables templos, principalmente en las regiones marítimas. Era invocado por los navegantes y le ofrecían sacrificios.

Representado como un anciano, Neptuno refleja su majestuosidad cubierto de ropajes de color azul, el color del mar. No se habla de Neptuno como único regidor del mar; su hijo Tritón tenía el poder de encrespar las olas o calmarlas. Además, de entre los dioses secundarios se encontraban otros dioses marinos como Océano y Tetis (diosa de las aguas), quienes engendraron a sus hijos los ríos y las oceánidas, y Orco, quien tuvo algunos monstruos fabulosos y principalmente a las gorgonas (Estenio, Euriale y Medusa).

Características generales del agua marina

No es de sorprender el interés, respeto y temor hacia el mar que los griegos demuestran en sus escritos. Siendo el humano un organismo terrestre, primero ha explorado los ambientes continentales, por su accesibilidad, pero también sabe de la inmensidad de un ambiente de menor acceso: el vasto ecosistema marino, que ocupa con sus aguas 1 370 millones de kilómetros cúbicos y cubre más de la mitad (71 por ciento) de la superficie terrestre. Este Mare nostrum, como era llamado en la mitología el Mar Mediterráneo (por ser la única región marítima que conocían), presenta en todo el planeta características y procesos físico-químicos únicos.

Los descriptores básicos de las masas de agua son la salinidad, la temperatura, la presión y la densidad. Todos sabemos que el carácter esencial del agua marina es ser salada, debido a la presencia del compuesto químico cloruro de sodio (NaCl). Sin embargo, el agua de mar contiene en disolución una parte de todos los elementos conocidos (Cuadro 1).

La salinidad (proporción de sales disueltas por volumen de agua en relación con su conductividad) es la medida utilizada para el estudio del agua marina. El mar tiene una gran diferencia con otros tipos de cuerpos acuáticos. Por ejemplo, el agua de un río tiene generalmente un nivel de cero unidades prácticas de salinidad (UPS), mientras que el agua en mar abierto tiene una salinidad entre 33 y 37 UPS. Sin embargo, existen algunas diferencias relacionadas con la distancia a la costa y con la profundidad, así como grandes excepciones, como en el Mar Rojo, con salinidades mayores a las 40 unidades prácticas de salinidad.

La temperatura en el océano varía entre -2 y 30 grados centígrados. Estas cifras pueden modificarse, en aguas superficiales y someras, con las estaciones del año, debido a la variación en la cantidad de radiación incidente, y con la latitud (por ejemplo, en el Ecuador la incidencia solar es mayor).

En general, se pueden distinguir tres estratos verticales de temperatura: el superficial isotérmico, o capa de mezcla, en que el cambio es mínimo con el incremento en la profundidad; la termoclina, donde la temperatura cambia rápidamente a una profundidad relativamente corta, y un estrato inferior donde la temperatura varía de 4 a -1 grado centígrado. La excepción son las ventilas hidrotermales, con 404 grados.

La presión hidrostática tiene menor influencia, comparada con la salinidad y temperatura, en el reconocimiento de masas de agua. Sin embargo, su cambio a medida que incrementa la profundidad es muy importante. Sabemos que a nivel de mar se tiene una presión de una atmósfera, pero con cada 10 metros de profundidad, la presión aumenta una atmósfera. Así, por ejemplo, a los 3 mil metros de profundidad se ejerce una presión de 300 atmósferas (300 millones de dinas por centímetro cuadrado; Figura 2). Esto tiene grandes repercusiones en los organismos del mar profundo, y afecta las reacciones químicas favorecidas por enzimas, es decir, la catálisis enzimática.

La densidad, que es la masa que tiene una unidad de volumen, depende de la salinidad, la temperatura y la presión, pero varía muy poco (por ejemplo, la densidad del agua pura se encuentra entre 1000 y 1 032). La importancia de esta propiedad se encuentra en la flotabilidad de los cuerpos, tanto para organismos marinos como para barcos. Por ejemplo, en diferentes regiones del mar la salinidad o temperatura puede variar drásticamente, y por tanto la densidad cambia. Esto puede provocar que la flotabilidad de un barco disminuya, su calado aumente y se hunda más de lo normal, o bien que tenga mayor flotabilidad.

Cuadro 1. Composición química del agua marina en orden de abundancia (Libes, 1992)

* Componentes que no se utilizan para medir la salinidad.

Otra de las características que llaman nuestra atención es el color del mar (Figura 2). En general, los niveles de luz decrecen con la profundidad por la absorción (transformación de energía en calor), la atenuación (la reducción de intensidad que presenta la luz al pasar a través del agua) y la dispersión (por el choque con partículas en suspensión).

Pero.,., ¿por qué se ve de color azul el agua? La razón es que el agua marina es más transparente a los intervalos azul y verde del espectro de luz visible (450-550 nanómetros). En particular, la mayor penetración de la luz azul es debida a su dispersión al chocar con partículas suspendidas que permiten reflejar este color.
Se pueden encontrar destellos de luz causados por ciertos organismos a diferentes profundidades, incluso en los abismos. Se ha comprobado que esta bioluminiscencia es importante como señal reproductiva, como mecanismo de defensa o como distractor para huir de un posible depredador.

La relación cielo, tierra y océano

Ahora que conocemos acerca de las principales características físicoquímicas del agua marina, es importante saber que no se trata de un compartimento cerrado. Así como en la mitología griega el Océano fue hijo del Cielo y la Tierra, podemos observar que en realidad los tres se encuentran en constante interacción.

La tierra proporciona el recipiente donde descansa y se mueve el agua (corteza continental y oceánica), con su diversa topografía (márgenes continentales, cordilleras, fosas, montes submarinos, guyots o mesetas submarinas, cadenas asísmicas, planicies abisales) y a diferentes profundidades, desde cero en la zona litoral hasta casi 11 kilómetros de profundidad en la zona más profunda, conocida como la Trinchera de las Marianas, en el Océano Pacífico oriental.

Asimismo, por su origen existen cuatro tipos de sedimentos en el fondo marino: los terrígenos, que provienen de los continentes por erosión y transporte, o del piso oceánico a partir de volcanes; los biogénicos, a partir de organismos que con sus esqueletos pueden formar grandes depósitos de sedimento y que son conocidos como oozes calcáreos (por su constitución de carbonato de calcio, por ejemplo de foraminíferos) o silícicos (por su constitución de silicatos, por ejemplo de diatomeas); los autigénicos, que como su nombre lo indica son aquellos sedimentos que se generan en el sitio mismo (como costras de manganeso y nódulos polimetálicos); y finalmente los cosmológicos, que provienen del espacio exterior y se depositan lentamente debido al tamaño de sus partículas. Los cuatro tipos de sedimento dependen en gran medida de la velocidad de las corrientes del fondo, la profundidad, la proximidad del continente, las características geológicas, los tipos de materiales en suspensión de las capas superiores y las características mismas de las poblaciones de seres vivos presentes.

Por su parte, el cielo proporciona la interacción entre océano y atmósfera. Algunos tipos de corrientes oceánicas, ondas y olas representan esta relación; además, la radiación solar provoca un intercambio de energía que causa diferencias de presión y movimientos de los vientos, lo cual influye en las condiciones del clima y del tiempo, regulando la cantidad de gases atmosféricos y de vapor de agua.

Estas fuerzas llegan a generar una gran producción biológica, debida a los movimientos ascendentes de aguas profundas, que aportan nutrientes para los organismos productores primarios y sostienen el mayor porcentaje de pesquerías alrededor del mundo. Sin embargo, estas fuerzas también causan catástrofes como tormentas con vientos de gran velocidad (200 kilómetros por hora) que pueden destruir embarcaciones en unos segundos o deshacer viviendas a los alrededores de la costa.

Hay que mencionar también la interacción de la Tierra con su satélite la Luna, que genera movimientos como las mareas, además de otro tipo de corrientes (sin fricción o geostróficas), ondas, olas y surgencias (topográficas) que se forman por la fisiografía de la Tierra y su propio movimiento: tal es el caso de las olas gigantes o tsunamis, que se generan por terremotos y provocan un acarreo de masa y energía en todas direcciones.

El mar: fuente de vida

La teoría más aceptada acerca del origen de la vida es que el mar, junto con su interacción con la tierra y la atmósfera, contó con las características que iniciaron las primeras formas vivas en el planeta. Por ello, no es de sorprender que en este ambiente se encuentren representados todos los taxones (niveles de clasificación de los organismos) conocidos, desde una arquea (constituida por una sola célula) que forma parte de un tapete microbiano en el fondo del mar (por ejemplo Methanococcus jannaschii), hasta una gran ballena azul (Balaenoptera musculus), que recorre grandes distancias por el océano.

Un ecosistema, entendido como la entidad formada por elementos bióticos e inorgánicos que interactúan entre sí, se divide a su vez en subsistemas. A grandes rasgos, se pueden hacer dos grandes divisiones del medio marino: el ecosistema pelágico o alejado de la costa y el ecosistema béntico o que pertenece al fondo del mar.

Ya que hemos analizado las principales características fisicoquímicas del ambiente en que viven los organismos, hablemos de las comunidades, que están formadas por especies que se presentan en conjunto en el espacio y en el tiempo.

Como parte del ecosistema pelágico se encuentra la comunidad del plancton, que se caracteriza por estar compuesta de organismos con un movimiento mayormente involuntario que sigue el ritmo alterno de los días y las noches (aunque también se han registrado migraciones verticales, por ejemplo las que realiza el quetognato Sagitta hispida, Figura 3).

En el plancton encontramos gran variedad de formas, y existen dos divisiones generales que corresponden al fitoplancton, como productores primarios, y el zooplancton, como consumidores primarios. Entre ellos hay quienes pasan toda su vida formando parte del plancton (holoplancton, Figura 3a), y otros que se encuentran como parte del plancton durante una parte de su vida, pero que más adelante formarán parte del necton, es decir, organismos capaces de desplazarse o bentos (meroplancton, Figura 3b-e).

El necton, por el contrario, se caracteriza por un movimiento voluntario a lo largo y ancho de la columna de agua. Así, las adaptaciones de los organismos a este medio son similares, aunque con diseños propios. Como parte de esta comunidad encontramos organismos ágiles e hidrodinámicos como los delfines (Figura 4a) y el atún de aleta amarilla (Thunnus albacares), o los elegantes y rápidos tiburones (como el tiburón blanco Carcharodon carcharias). Muchas de las especies que constituyen el necton se explotan comercialmente en su etapa adulta.

La comunidad del bentos ocupa los fondos marinos. Esto abarca tanto el fondo, desde la zona litoral hasta las grandes profundidades, como a los organismos asociados a él, ya sea para fijarse (Figura 4d), excavar madrigueras (Figura 4e), trasladarse sobre la superficie (Figura 4b) o nadar en sus proximidades (Figura 4c), y que dependen de él para conseguir su alimento.

La mitología y el interés por el conocimiento de los organismos que viven en estos sitios nos son la única razón por la que el ser humano se ha interesado en estas comunidades, ya que por su fácil acceso, tanto los organismos como el medio en el que se encuentran se ha visto afectado por el desarrollo producido por el hombre debido a la contaminación y extracción de recursos.

Del mar profundo se sabe menos que de las comunidades de aguas someras, ya que para llegar a él necesitamos equipo especializado: barcos, cabos (cuerdas marinas) de más de 3 mil metros, o sumergibles que puedan soportar presiones de hasta 300 atmósferas. Sin embargo, en los últimos años se ha promovido la investigación de este medio, tocando tópicos desde su riqueza biológica, para saber qué especies viven ahí, hasta el reconocimiento de sus interacciones o de la sucesión de comunidades.

En particular, la exploración de este ambiente ha descubierto organismos con gran similitud a aquellos que se consideraban extintos, por ejemplo el tiburón Hexanchus griseus (triásico-reciente) y la langosta poliquélida del género Willemoesia, que vive a 3 mil metros de profundidad y presenta una gran semejanza con los fósiles de este grupo, los cuales se reconocieron en ambientes de zonas someras del triásico y jurásico. Debido a casos parecidos, se ha sugerido que el mar profundo es un reservorio de diversidad biológica.

No obstante, también se ha propuesto que la fauna de mar profundo se conforma por organismos que sobrevivieron de las eras paleozoica-mesozoica y que coexisten con inmigraciones recientes de organismos de zonas poco profundas. Como ejemplos tenemos al isópodo gigante Bathynomus giganteus (mioceno-reciente), o el pez Acanthonus armatus (eoceno-reciente).

En relación con los estudios sobre las interacciones y sucesiones, se ha asentado un gran interés en la comunidad de las ventilas hidrotermales, reconocidas por primera vez hace apenas 30 años. Las ventilas hidrotermales (Figura 5) tienen su origen en las cercanías de las cordilleras mesoceánicas, donde ocurre la expansión del piso oceánico a partir de la lava que emerge del interior de la Tierra y que se agrieta al momento de enfriarse, formando una nueva placa. El agua de mar penetra en las fisuras, que pueden tener kilómetros de profundidad, y en este sitio se calienta al acercarse a la capa de magma, se expande y sube rápidamente, cargada de minerales lixiviados (fundidos) de las rocas que la rodean.

Cuando esta agua, a temperaturas de hasta 404 grados centígrados, tiene contacto con el agua del fondo marino, a apenas 4 grados, el sulfuro de hierro se precipita, dando su color a las fumarolas negras. Así, en este peculiar hábitat donde no llegan los rayos de luz se encuentran organismos productores primarios quimiosintéticos (bacterias de vida libre o en simbiosis, que obtienen su energía a partir de reacciones químicas, y no de la fotosíntesis). Estos organismos oxidan sulfuros polimetálicos directamente de las fumarolas y con ello obtienen la energía para transformar el carbono mineral (CO2) en carbono orgánico (tal como ocurre en las infiltraciones de azufre y metano).

La diversidad en formas incluye anémonas (como Actinostola callosi), mejillones (como Bathymodiolus thermophilus) y almejas gigantes (Calyptogena magnifica), cangrejos (por ejem-plo Cyanograea predator), langostillas (como Munidopsis subs-quamosa), camarones (como Alvinocaris lusca) y peces (Thermarces cerbeus) con coloraciones pálidas, así como esponjas en forma de hongos (Caulophacus cyanae), así como gusanos de tubo (Riftia pachyptila) que carecen de sistema digestivo y en su lugar presentan un órgano llamado trofosoma que alberga bacterias simbióticas que abastecen los requerimientos metabólicos de su huésped.

Así, podemos apreciar que en estas zonas existen diferentes tipos de interacciones entre organismos. Algunas nos permiten entender la distribución de la energía en el ecosistema mediante la alimentación, es decir, las redes tróficas en las que los organismos marinos pueden ser clasificados como productores, consumidores y desintegradores, según su papel. Ésta es la forma más sencilla en la que se puede percibir una conexión general que existe en todo el océano, donde la diversidad biológica, como se ha visto, está asociada con la complejidad del hábitat, las condiciones físicoquímicas del lugar y con sus mismas interacciones.

Importancia del agua marina

Por su cantidad, el agua marina es por sí sola de gran importancia. Representa el 97 por ciento del agua existente en el planeta, y por ello constituye la mayor fuente de recursos naturales, además de ser un medio de transporte utilizado por el ser humano desde sus orígenes.

En general, los grandes grupos de recursos que el hombre ha extraído del ecosistema marino son los energéticos (petróleo y gas), los minerales del fondo (como arenas negras o placeres, gravas diamantíferas, nódulos polimetálicos, diatomita, carbonatos, fango de globigerinas), disueltos, compuestos químicos y la energía de algunos fenómenos físicos, así como la de los seres vivos.

De los elementos químicos disueltos en el agua marina, sólo se explotan el cloruro de sodio o sal común, el magnesio, el bromo (utilizado como antidetonante en la gasolina) y el potasio. México cuenta con la salinera más grande del mundo ubicada en Guerrero Negro, Baja California Sur. La exportadora de sal, aprovechando los salitres del lugar, mantiene los estanques llenos con agua de mar, la cual se evapora bajo el sol del desierto, dejando expuesta la sal. Además de producir, también almacena y exporta sal. Según el anuario estadístico de los puertos de México, en 2003 se exportaron más de cinco millones de toneladas de sal.

Entre los fenómenos físicos marinos que son utilizados como recursos, se encuentran las mareas como productoras de energía. Tal es el caso de los antiguos molinos de marea para moler trigo o fabricar hielo, y de las centrales mareomotrices que producen energía eléctrica a partir de la energía de la marea.

La extracción de organismos de las aguas marinas se ha realizado a través de la historia del hombre y para diferentes propósitos (ornamental, farmacológico, construcción, alimento). Los ejemplos son cuantiosos: uno que ha perdurado en nuestro país es la extracción del caracol púrpura (Plicopurpura pansa), utilizado desde tiempo inmemorial para teñir productos textiles de color purpúreo. Otro tipo de gasterópodos que se han estudiado para su posible explotación en aplicaciones farmacológicas (al igual que algunos otros organismos como esponjas, corales, algas y tiburones) son los del género Conos, que se caracterizan por sus potentes toxinas.

Por la necesidad de alimentarse y por la riqueza en proteínas, compuestos energéticos y vitaminas, el ser humano ha desarrollado diferentes técnicas, investigaciones oceanográficas y pesqueras, así como infraestructura para obtener diversos organismos marinos. Entre las pesquerías más importantes se encuentra la del atún (por ejemplo Thunnus albacares, Figura 6a), la anchoveta (Engraulis mordaz, Figura 6b) y anchoas (como Anchoa heller o A. ischana), sardinas (Sardina sp., Sardinops sp. y Sardinilla sp.), camarones (como Farfantepenaeus aztecus, Figura 6c), langostas (como Panulirus japonicu y P.argus), jaibas (Callinectes sapidus, Figura 6d), pulpo (Octopus vulgaris, O. may a, Figura 6e), calamar (como Loligo peali, Figura 6f), ostras-ostión (por ejemplo Ostrea mexicana, Crassostrea virginica), abulón (como Haliotis cracherodii), bivalvos (como mejillones Mytilus edulis, Figura 6g); almejas (como Megapitaria aurantiaca, Argopecten circularis), gasterópodos (como Pleuroploca gigantea, Figura 6h) y tiburones (por ejemplo Rhizoprionodon longurio, Figura 6i).

Los países que cuentan con economías fuertes han puesto gran interés y dinero en la investigación y equipo para recursos pesqueros masivos en las zonas costeras y en aguas oceánicas. En contraste, en los países en desarrollo predominan las actividades pesqueras de tipo artesanal, basadas en una gran diversidad de especies pero con dimensiones de captura limitada.

Según la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO), en 2003 se registró en el Atlántico una pesca de un millón 758 mil 854 toneladas, de las cuales 245 mil pertenecen a nuestro país, mientras que para la zona del Pacífico se dio a conocer una captura total de un millón 869 mil 181 toneladas, con un millón 120 mil 303 pertenecientes a México.

En los últimos años, más del 80 por ciento de la captura total mundial se obtiene en aguas poco profundas sobre la plataforma continental, mientras que poco más del 10 por ciento proviene del mar abierto, a mayor profundidad. Sin embargo, poco a poco se ha desarrollado una tecnología especializada para la captura en este tipo de ambientes.

Ejemplo de ello es el cangrejo rojo (Chaceon quinquidens), que llega a alcanzar 18 centímetros de ancho de caparazón, pero que soportaría una tasa baja de explotación. Gracia y Vázquez-Bader (1999) han descrito la presencia de camarón en mar profundo como capturas incidentales; en particular, los estudios en la zona económica exclusiva en el Golfo de México son aislados. Las colecciones iniciadas en 1997 han sido un primer paso para el conocimiento de la diversidad biológica en el mar profundo (Escobar y colaboradores, 1999). En un futuro, quizá sea posible implementar una pesca sustentable.

El incremento del esfuerzo de pesca a nivel global con métodos tradicionales ha mostrado que la gran riqueza marina tiene un límite, y que los mares no son una fuente inagotable de recursos. No obstante, la importancia del ecosistema marino como gran reservorio de mucha de la riqueza biológica del planeta recupera actualidad desde la perspectiva de la utilización de la biotecnología marina, que permite vislumbrar una potenciación en el uso de los vastos recursos marinos para la producción de alimentos, fármacos, energía y otros bienes necesarios para la sociedad (Gracia, 2001).

La purificación del agua marina

La escasez de agua para consumo y uso humano ha despertado el interés de los investigadores hacia el gran reservorio marino. Hasta la fecha los métodos desarrollados para obtener agua dulce a partir de agua marina no son costeables, ya que requieren de grandes cantidades de energía para llevarse a cabo. Además, no se obtiene agua dulce en cantidades suficientes para abastecer zonas con falta de ella. En las más de mil 500 plantas desalinizadoras que funcionan alrededor del planeta se producen cerca de 13.3 mil millones de litros de agua dulce al día.

El método de desalinización más conocido es la destilación o evaporación. En los últimos años se ha desarrollado un método más eficiente y menos costoso: la desalinización por medio de membranas sintéticas semipermeables (de fibras de poliamida y hojas de acetato de celulosa) que se basa en la reversión del fenómeno de la ósmosis (ósmosis inversa) a partir de la aplicación de presión. La membrana se coloca entre un volumen de agua dulce y agua marina, y esta última es altamente presurizada, lo que provoca el paso de las moléculas de agua a través de la membrana hacia el lado de agua dulce. La membrana impide el paso de la sal u otras impurezas.

Impacto antropogénico y nuevas perspectivas en las aguas marinas

La relación tan estrecha entre el ser humano y el mar no siempre tiene consecuencias positivas (por ejemplo beneficios por la obtención de recursos); muchas veces la actividad humana deja su rastro, afectando el ecosistema. Los principales impactos humanos en aguas poco profundas son la contaminación por basura y derrames de energéticos, la extracción de compuestos químicos, minerales y arena, el cambio en el flujo de agua subterránea, la recreación y turismo, la limpieza de playas (que compactan la arena y afectan a los organismos del suelo marino) y la sobrepesca y la perturbación obtenida de esta práctica.

Se ha estimado que en el mar profundo, al ser un ambiente homogéneo, las perturbaciones físicas generadas por los dragados para la extracción de energéticos, de nódulos polimetálicos o de organismos tendrían gran impacto en las poblaciones bénticas.

A partir de este análisis y de todo lo aquí presentado, queda clara la necesidad de nuevos enfoques para la ordenación y desarrollo en el medio marino, en los planos nacional, regional y mundial. Estos enfoques deben ser integrados en su contenido y estar orientados hacia su conocimiento, su acuerdo, su manejo y valor de recursos (Gío-Argáez, 1999).

En este sentido, el papel de los profesionistas en las ciencias marinas es de fundamental importancia, debido a que la relación entre los procesos ecológicos marinos son complejas y requieren un enfoque multidisciplinario y sistemático bien orientado. De esta manera, y tal como en la mitología griega se pensaba, se podrá adquirir el pleno entendimiento del ecosistema marino como parte del sistema tierra-cielo, y esto conllevará a un mejor aprovechamiento de sus recursos vivos.

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Adolfo Gracia-Gasca es doctor en ciencias, especia-lista en ecología y manejo de recursos pesqueros. Es director e investigador del Instituto de Ciencias del Mar y Limnología y profesor de posgrado de este instituto, así como profesor del Taller de Ecología y Peleoecología Marina en la Facultad de Ciencias, ambas de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

Raúl Gío-Argáez es doctor en ciencias, especialista en micropaleontología marina. Es investigador en el Instituto de Ciencias del Mar y Limnología, y profesor de la materia de Paleobiología y del taller de Ecología y Peleoecología Marina en la Facultad de Ciencias, ambas de la UNAM. En 1992 recibió la medalla Alfonso L. Herrera del Instituto Mexicano de Recursos Naturales Renovables en el campo de Ecología y Conservación. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

Adriana Gaytán-Caballero es bióloga egresada de la Facultad de Ciencias de la UNAM. Colabora actualmente en el Instituto de Ciencias del Mar y Limnología en la UNAM, asignada al Laboratorio de Micropaleontología Ambiental. Ha colaborado en publicaciones científicas y de divulgación y en campañas de exploración oceánica. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

Dioses, reyes, hombres y
agua en el México antiguo

Beatriz Barba Ahuatzin

Los pueblos prehispánicos de la cuenca de México, como mexicas, toltecas y teotihuacanos, supieron convivir con el agua y la hicieron una parte fundamental de su vida productiva. Su sabiduría al respecto ofrece lecciones ante los problemas actuales en el uso del agua.

La cuenca de México

Situada en una región sísmica al sur de la altiplanicie mexicana e inclinada al suroeste, la cuenca de México está circundada por cordilleras que escurren el agua de las lluvias hacia dentro formando cinco lagos: Chalco, Xochimilco, Texcoco, Xaltocan y Zumpango. El de Texcoco es el más bajo, por lo que hacia él corrían las aguas, asentándose y formando líquidos salitrosos.

Toda la planicie lacustre está entre 2 mil 240 y 2 mil 270 metros de altitud. En el pasado, en tiempos de secas abundaron los pantanos y las ciénegas, mientras que en tiempos de lluvias los lagos alcanzaban bastante profundidad. Los puntos más altos de la sierra circundante llegan a 2 mil 750 y hasta 3 mil metros sobre el nivel del mar, con bosques ricos en árboles maderables.

De la prehistoria a las primeras aldeas (20000 a 250 antes de nuestra era)

Es indiscutible que ya desde 20 mil años antes de nuestra era merodeaban en las orillas de los lagos centrales de México pequeños grupos de individuos de ascendencia asiática, que en estas regiones encontraban diversas maneras de alimentarse. En Tlapacoya, Tepexpan, el Peñón de los Baños y Santa Isabel de Iztapa, entre otros muchos sitios, se han encontrado restos humanos y tecnología de obsidiana y sílex. Los grandes mamíferos que pasaron de Asia a América sirvieron de alimento a estos grupos, pero por cambios climáticos se extinguieron y el ser humano se vio obligado a cultivar y criar animales domésticos, con lo que aparecieron asentamientos de mayor permanencia.

Fueron épocas de espesos bosques, que cubrieron laderas y serranías y ofrecieron abrigo, madera, y múltiples animales de caza y pesca. El nivel de los lagos fluctuaba constantemente, pero por lo regular eran profundos y limpios, y así permanecieron por miles de años, ofreciendo numerosas especies de insectos, peces, aves permanentes y estacionales, reptiles y mamíferos. En la parte que ahora se llama Sierra del Ajusco eran más abundantes las corrientes de agua, riachuelos y manantiales que en el poniente, pero todos los escurrimientos de las sierras que formaban la corona de la cuenca aumentaban el caudal de los lagos en épocas de lluvias.

La agricultura incipiente comenzaría hacia el quinto milenio antes de nuestra era, aprovechando la humedad de las orillas de los lagos. Las técnicas de cultivo mejoraron poco a poco, lo que permitió la sedentarización en aldeas, en sitios como Tlapacoya, El Arbolillo, Zacatenco y Tlatilco, entre muchos otros, hacia 1800 años antes de nuestra era.

El preclásico (2500 antes de nuestra era a siglo III de nuestra era)

En poco tiempo proliferaron las aldeas, y lentamente fueron mejorando sus experiencias y sus técnicas. Para 1 200 años antes de nuestra era, ya se relacionaban entre sí grupos bastante lejanos, sobre todo de la costa del Golfo y del occidente de México. A partir de entonces comenzó la diferenciación social, destacándose algunas familias de poder que manejaron poco a poco los excedentes de la producción agrícola y se encargaron de organizar la vida ritual, civil y religiosa. Con el tiempo se especializarían cada vez más en el manejo de los conocimientos científicos, religiosos, militares y técnicos, como el control del agua, monopolizándolos y formando diferencias sociales.

Para entonces, y hasta el año 300 antes de nuestra era, nacieron y crecieron muchas más poblaciones. No todas presentaron arquitectura de piedra, pero hablaremos de una que es interesante para nuestro tema del agua: Tlapacoya, un santuario en el lago de Chalco dedicado a las deidades del agua, los Tlaloque, cuyas representaciones (Figura 1) se encontraron en una serie de vasijas dejadas como ofrendas en las tumbas del interior del basamento religioso; éste no fue una pirámide típica, sino un adosamiento al cerro, de piedra cortada, sobre el cual resbalaba el agua de lluvia y de los manantiales. Tuvo un templo en la parte superior y tres tumbas muy ricas en su interior.

A Tlapacoya llegaban peregrinos por tierra y en canoas y, según las ofrendas encontradas, acudían sobre todo del occidente de México. A partir de este sitio tan antiguo se nota que las deidades del agua fueron merecedoras de cultos muy especiales, y sobre todo objeto de romerías que asistían de tierras lejanas. Este fenómeno continúa hasta nuestros días, porque nos toca vivir que cuando no llueve los pueblos organizan procesiones que atraviesan los campos de cultivo en forma de círculos o de zigzagueos, cargando las figuras sacras responsables de la lluvia.

El clásico (siglos III a IX de nuestra era)

Del siglo I al siglo III de nuestra era comenzó la expansión de Teotihuacan, que sometió a todos los pueblos de la cuenca, e incluso de lugares alejados, consiguiendo su hegemonía y constituyéndose en una muy grande e importante ciudad en la cual vivía gente de todas partes de Mesoamérica. Construyeron ductos subterráneos, con paredes de piedra y sellados con cal para llevar agua a diferentes sitios abiertos y conjuntos habitacionales; todo lo tapaban con lozas, y así aseguraban que el agua limpia, de lluvia, corriera sin basura y llenara depósitos para el uso diario. El agua desechada también corría por ductos subterráneos y salía a campo abierto para humedecer las tierras de cultivo. El crecimiento de la ciudad terminó con los bosques circundantes, y se sucedieron constantes sequías y cambios climáticos regionales, por lo que construyeron múltiples templos y altares a las deidades del agua. La Pirámide de la Luna, la segunda más grande, se dedicó a Chalchiuhtlicue, esposa de Tláloc, dios del agua (Figura 1), cuya efigie fue encontrada por los arqueólogos, rodada hacia uno de los lados del basamento. La gran calzada de Los Muertos, que atraviesa toda la ciudad, termina precisamente frente a la pirámide de Chalchiuhtlicue, y tenemos que pensar que era para comodidad de los peregrinos que venían a solicitarle agua de todas partes, sobre todo de pueblos lejanos, que dependían de la agricultura temporal o de lluvia.

Teotihuacan fue la primera alta civilización del centro. Tuvo escritura, cómputo del tiempo, artesanías desarrolladas, arquitectura, escultura, pintura y una religión politeísta rica en mitos -que al parecer en parte heredó y en parte desarrolló-, por ejemplo el de la creación del Quinto Sol. Creían en diferentes destinos del alma después de la muerte, según fuera ésta: por ejemplo, se pensaba que al Tlalocan, paraíso del dios del agua, iban almas de los ahogados y enfermos de problemas relacionados con el agua, como la hidropesía. En Tepantitla, uno de los barrios teotihuacanos, en un mural está pintado este cielo, con escenas de una vida gozosa para los que allá iban destinados. Esta gran urbe controló muchos sitios de las orillas de los lagos de la Cuenca de México, y a la caída de Teotihuacan, bajo los embates de las tribus chichimecas que constantemente lo asolaban, surgió Tula como centro hegemónico.

F i g u r a 1 .   Tláloc, dios del agua, adorado por todos los pueblos de Mesoamérica con diferentes nombres desde épocas tempranas. Preside uno de los paraísos a donde van las almas de los muertos, el Tlalocan. Para el manejo de las aguas se hace ayudar de su mujer Chalchiuhtlicue y sus mayordomos, los Tlaloques. Su rostro parece estar encubierto con una máscara de serpientes y chalchihuites. Pág. 7 del Códice Borbónico, siglo XVI.

Mitos de creación: los cinco soles cosmogónicos

Probablemente desde épocas prehistóricas empezaron a formarse los mitos de creación, que son la respuesta a las preguntas universales: ¿de dónde vengo?, ¿a dónde voy? De los relieves de algunos monumentos arqueológicos y de la pluma de diferentes cronistas del siglo XVI hemos sabido que la respuesta de los pueblos mesoamericanos a tales inquietudes fueron los mitos de creación, los cuales explicaban cómo fue formado el ser humano y para qué. En el altiplano y algunas otras regiones de Mesoamérica se tuvo como explicación la creación de cinco soles, cada uno con diferentes tipos de vida vegetal y animal. Cada sol acabó catastróficamente por la agresión de los elementos: tierra, aire, fuego y agua; el quinto se terminará por grandes temblores. De ello deducimos que en la mentalidad mesoamericana el agua no solamente era un elemento benéfico sino también destructivo, como debieron haberlo constatado con las múltiples fluctuaciones del lago, que destruía las aldeas cercanas a sus orillas en tiempos de muchas lluvias y desde siempre. Según las fuentes para la historia, en Teotihuacan se formó el Quinto Sol, el sol de movimiento, en el que aún vivimos y que se destruirá cuando Tezcatlipoca lo robe y se sucedan terremotos.

El postclásico o militarista (siglo IX a 1521)

A la caída de Teotihuacan se sucedió una época de crisis cultural caracterizada por la pérdida de las tradiciones de más alta cultura a que había llegado el clásico: los cálculos astronómicos, las matemáticas, el calendario, la escritura, el uso de estelas para llevar la contabilidad dinástica, y el refinamiento artístico caracterizado sobre todo en el sur de Mesoamérica, como la zona maya. Poco a poco surgieron otros satisfactores que mejoraron la vida de la gente, como el amplio comercio, la metalurgia, el acceso popular a los centros ceremoniales, el desarrollo de la medicina y farmacopea herbolaria, la arquitectura popular, etcétera. Sobre nuestro tema, el agua, se nota el avance de la tecnología de irrigación, y que llegó a ser notable al final de este periodo, antes de la llegada de los españoles.

Con la caída de la gran capital, Teotihuacan, disminuyó la población de la cuenca de México, pero poco a poco se volvió a poblar con gente venida de todas partes, sobre todo del norte. Vemos viejos y nuevos centros que surgieron y en poco tiempo tenían considerable número de habitantes, como Tizayuca, Tula, Huehuetoca, Citlaltepec, Coyotepec, Zumpango, Tepotzotlán, Tultepec, Xaltocan, Cuauhtitlan, Atlatonco, Acolman, Ecatepec, Tulpetlac, Tepetlaoztoc, Tlanepantla, Tenayuca, Cuauhtepec, Texcoco, Azcapotzalco, Tlacopan, Popotlan, Chapultepec, Tlatelolco, México-Tenochtitlan, Chimalhuacan, Coatlinchan, Iztapalapan, Coyohuacan, Huitzilopochco, Mexicaltzingo, Culhuacán, Cerro de la Estrella, Coatepec, Tlalpan, Tlalpizahua, Ixtapaluca, Xochimilco, Tláhuac, Xico, Mixquic, Chalco y otros más de segunda importancia.

Postclásico temprano (935-1172)

La hegemonía de Tula duró del siglo X al XII, y heredó parte de las tradiciones culturales de Teotihuacan, entre otras la regencia civilizatoria de Quetzalcóatl como maestro supremo de las artes, artesanías y conocimientos. Mencionemos un mito que marca el fin de Tula y que está relacionado con el agua:

Gobernando Huémac, el último de los reyes toltecas, jugó a la pelota con los Tlaloques, servidores del dios Tláloc, e iban en apuesta joyas y piezas ricas. El juego lo ganó Huémac y los Tlaloques intentaron pagar con hermosas mazorcas y agua, lo que ofendió a Huémac y exigió las joyas ofrecidas. Los Tlaloques quisieron dar un escarmiento y entregaron lo pactado, pero provocaron una sequía que duró más de siete años, con lo cual el rey perdió el trono, ya que su pueblo moría de hambre y sed. Aprendió así el gran valor del agua y del maíz, muy superior a cualquier alhaja.

Postclásico tardío (siglo XII a 1521)

Es una época de explosión poblacional a lo largo y ancho de la cuenca de México. Se apoyó sobre todo en la agricultura de riego y el sistema de chinampas, que permitió una muy buena sobreproducción de alimentos. La expansión de los mexicanos por toda Mesoamérica llenó al altiplano de satisfactores que venían en calidad de tributo de los pueblos sometidos, y le dio a la región riqueza y prosperidad.

Como hemos visto, desde siempre los habitantes de la cuenca supieron convivir con el agua y la hicieron parte de su vida productiva. Los grupos sedentarios aprovecharon los escurrimientos de los manantiales y la humedad de los ríos perennes, y construyeron presas y canales de tierra y piedra con estuco, acueductos y redes de acequias. Con todo ello lograron sistemas de riego y control de agua que aumentaban la producción y evitaban las inundaciones. Para antes de la llegada de los españoles se destaca la construcción de acueductos de gran tamaño como los de Chapultepec y Coyoacán, que abastecían de agua potable a México-Tenochtitlan, y debemos mencionar al ducto que llevaba agua hasta Cholula y los pueblos del valle del río Atoyac desde las faldas del Iztaccíhuatl.

Sería presuntuoso decir que el sistema hidráulico se construyó de manera consistente y planificada, porque no fue así; los problemas se iban resolviendo gradualmente, conforme se iba necesitando.

México-Tenochtitlan (1325-1521)

En la dinámica de la migración hacia el sur de los pueblos norteños, que perennemente carecían de agua, destaca la historia de los aztecas, grupo chichimeca que salió de la mítica Aztlán hacia el año 1111, en busca de una tierra prometida donde nunca faltarían los abastecimientos. Muchas fueron las peripecias de su viaje hasta que llegaron a la cuenca de México, controlada entonces por Azcapotzalco, cuyo gobernante era el destacado monarca Tezozómoc. Para principios del siglo XIV los aztecas ya se hacían llamar mexicanos, por órdenes de su dios, y buscaban un sitio con posibilidades de crecimiento, que no estuviera ocupado ni fuera parte de grandes señoríos.

Para obviar aventuras detalladas en favor de datos más concretos: en 1325 descubrieron un islote irregular, cenagoso y grande a la mitad de lo que posteriormente se llamó lago de México, entre el lago de Xochimilco y el de Texcoco. Los principales sacerdotes y civiles decidieron que era el sitio adecuado porque vieron un águila real, parada sobre una roca, que devoraba una serpiente (Figura 2), la señal que había dado su dios para la fundación de su ciudad. Solicitaron permiso a Tezozómoc para vivir en ese islote, y por un tiempo pagaron fuertes tributos hasta que los mexicanos sometieron a su vez a Azcapotzalco.

El islote fue creciendo artificialmente porque sus nuevos habitantes utilizaban las zonas cenagosas para el cultivo, además de acumular chinampas o porciones de tierra flotantes, que arraigaban al fondo del lago por medio de pilotes. Las chinampas tuvieron diferentes medidas; como promedio, medían dos metros de ancho por 10 o 20 de largo. Frecuentemente se construían chozas en ellas para cuidar los cultivos. Los tlatelolcas llegaron casi al mismo tiempo a esa parte del lago, y les tocó habitar el norte.

F i g u r a 2 .   El mito de la fundación de Tenochtitlan. Sacerdotes mexicas descubren un islote en cuyo centro un águila se para en un nopal para devorar una serpiente; el nopal crece sobre una roca. Los principales deciden fundar ahí su ciudad. Ilustración de Fray Diego Durán.

Reinando en México Moctezuma IIhuicamina, en 1449 México-Tenochtitlan sufrió una inundación y pidió ayuda a todos los pueblos de tierra firme. Lo apoyó sobre todo Texcoco, cuyo señor por esas épocas era Nezahualcóyotl, el rey poeta, quien propuso un proyecto para detener el crecimiento de las aguas y separar las aguas dulces de Xochimilco de las saladas de Texcoco. Se construyó así el albarradón o dique de Nezahualcóyotl; se trató de un largo macizo de pilotes de troncos de árbol, rellenados con piedras y lodo, con mayor altura que el nivel del lago y que llegaba por el sur a Iztapalapa y atravesaba el lago hacia el norte, terminando adelante del Tepeyac (Mapa 1).

A medida que crecía la gran ciudad, y se cargaba de edificios de cal y canto, mayores peligros corría de hundirse el islote y ser inundado por las aguas, por lo que era trabajo de todos los días la limpieza de las acequias y el aseguramiento del sistema hidráulico que atravesaba la isla, y en el que se destacaban tres grandes calzadas que iban del centro de México a tierra firme (Figura 3). Por el sur, de México a Coyoacán con ramales para otras partes del lago; por esta calzada también venía un acueducto que traía agua de los abundantes manantiales de esa región sureña. Hacia el oeste partía la calzada México-Tlacopan, con un ramal para Chapultepec, y sobre la que construyeron un acueducto de doble canal para las aguas de esos manantiales. La tercera calzada iba del Templo Mayor al Tepeyac, atravesando Tlatelolco; por ésta no había ductos, era ancha y muy firme, formando embarcaderos de seguridad como el que estaba al norte, que posteriormente se llamó Lagunilla (Mapa 2); ahí se protegían numerosas canoas que muchos cronistas llegaron a considerar cercanas a 30 mil unidades. Es importante citar que también tenía un ramal que iba a parar a Tenayuca, ciudad destacada de principios del postclásico. En la parte del oriente de la isla no había calzadas hacia tierra firme, pero sí grandes embarcaderos, chinampas y espacios acondicionados para proteger canoas.

Las calles de la ciudad se dividían en las que eran de tierra firme y las que eran de agua, transitadas por canoas y que pasaban por numerosos puentes y embarcaderos. El lenguaje náhuatl del pueblo común estaba lleno de palabras que se referían a acequias, canales, manantiales, ojos de agua, acueductos, estanques, fuentes, canoas, lagunas y lagunillas, desagües, calzadas, puentes, pantanos o ciénegas, chinampas, tierras firmes y embarcaderos. Los cronistas españoles del siglo XVI se sorprendieron de la limpieza de la ciudad, que se tenía con la principal preocupación de que la basura no llegara a los arroyos, y más de uno nos relata que había cerca de mil gentes barriendo a toda hora para conservarla adecuadamente.

F i g u r a 2 .   Panorama del Lago de México y la isla de Tenochtitlan-Tlatelolco hacia 1521. Pintura de Luis Covarrubias. Se observan las tres calzadas que conectaban a la isla con tierra firme y los albarradones de Nezahualcóyotl y de Ahuízotl.

F i g u r a 3 .   Panorama del Lago de México y la isla de Tenochtitlan-Tlatelolco hacia 1521. Pintura de Luis Covarrubias. Se observan las tres calzadas que conectaban a la isla con tierra firme y los albarradones de Nezahualcóyotl y de Ahuízotl. Fuente: Arqueología Mexicana (2004:23).

Esto se reflejó en su organización social. Un número determinado de chinampas formaba un calpulli o unidad política y económica. Todo fue construido con mano de obra tributaria, apoyados, según algunos autores, en los presos o los cautivos de guerra que esperaban ser sacrificados. Los derechos que las ciudades tenían sobre los productos lacustres y el uso del agua, junto con recursos como la pesca y la caza, la sal y la vegetación, deben haber estado regla-mentados por los dictados de intereses hegemónicos y soportados por los pueblos sometidos.

Cada porción de la ciudad estaba abastecida de agua potable, la cual llegaba por ductos y se depositaba en albercas, y de ahí seguía por otros ductos o bien era tomada directamente por los usuarios.

M a p a 2 .   Tenochtitlan en 1521. Croquis basado en las reconstrucciones de Manuel Orozco y Berra, Leopoldo Batres, Mariano Alcocer, Manuel Toussaint y el Lic. Fernández.

El castigo de un ambicioso

Ahuízotl gobernó México de 1486 a 1502, y observando la feracidad y belleza de los bosques de Coyoacán y de Huitzilopochco (hoy Churubusco), quiso poseer el agua que hacía posible semejante vegetación y fauna. Se dirigió al señor de esas regiones y le pidió que la mandara por un acueducto, pero le fue advertido que era mucha agua y que México no la iba a soportar y se anegaría, cosa que Ahuízotl no creyó. Por el contrario se ofendió por la negativa, y ordenó que mataran al rey de Coyoacán, persona muy querida por sus súbditos. Libre de toda oposición, se construyó un acueducto que entró a la calzada de Iztapalapa por Churubusco, y el día que llegó el agua a México se hicieron enormes fiestas y numerosos sacrificios para festejarlo. Poco tiempo después, a consecuencias de lluvias copiosas, el monto del agua aumentó a más del doble y México sufrió una de las mayores inundaciones de la época mexica. El rey Ahuízotl, queriendo zafarse de un torrente que entró a palacio, se golpeó contra una puerta y a consecuencia de ello murió unos años después. Durante 40 días estuvo inundada la ciudad por aguaceros, pero de repente cayó una tromba y la arrasó. Los coyoacanenses aseguraban que era el castigo que merecía Ahuízotl por envidioso. Para evitar que volviera a suceder esto, por una parte se destruyó el acueducto y por otra se hizo otro albarradón o dique que llevó el nombre de Ahuízotl, y que unió las calzadas del Tepeyac e Iztapalapa (Mapa 1).

La ciudad de México era muy bella; Itzcóatl sembró ahuehuetes e hizo un bosque y un jardín botánico, con zoológico y acuario. Donde quiera se veían flores y pisos limpios. Por las noches se alumbraba con braseros bien mantenidos. Había drenaje y vigilancia constante. Por siete canales se evacuaba la basura usando agua de lluvia, y los desechos domésticos se juntaban en barcas amarradas y se vendían como abono. Los cálculos para esos tiempos fluctúan entre 60 mil habitantes y medio millón, según diferentes autores, ya que unos toman en cuenta las crónicas, otros el número de casas y otros más el comercio que necesitaba la urbe para abastecerse.

Los señores de las ciudades que formaban el sistema hidráulico de la cuenca debieron haber hecho constantes convenios de ayuda y de reconocimiento de límites; de todo ello han sobrevivido pocos documentos. Destaca el conocido con el nombre de "Ordenanza del Señor Cuauhtémoc", del año de 1524, donde este rey establece los límites de tierras y aguas entre Tlatelolco y Tenochtitlan.

Texcoco fue una ciudad grande, importante y caracterizada por su gente sabía, entre quienes sobresale Nezahualcóyotl, con sus obras urbanas e hidráulicas, y su hijo Nezahualpilli, excelente arquitecto y conocedor de las ciencias naturales. En la cuarta década del siglo XV se formó la Triple Alianza, y Texcoco, Tlacopan y México fueron las ciudades que dictaron leyes, reglamentos y derechos, entre los cuales una de las más destacadas preocupaciones debió haber sido el uso del agua y de las construcciones hidráulicas. Texcoco tuvo, al igual que Chapultepec, lugares de recreo donde se aprovechaba el agua para dar mayor belleza al paisaje, como sucedió con los baños de Nezahualcóyotl, en el pueblo de Tezcutzinco, y los baños de Moctezuma en el bosque de Chapultepec.

Otro documento importante es el Plano de Santa Cruz, que nos instruye sobre los canales de la zona lacustre. Se cuentan 32 canales, de los que 25 corresponden a la época prehispánica y siete a la virreinal. Observando detenidamente el plano podemos distinguir pendientes de terreno, curso de ríos, canales mayores y menores, y orientación general de la ingeniería hidráulica.

Las inundaciones del México prehispánico que dejaron huellas en la historia ocurrieron en 1382, 1449, 1499 y 1517. Muchas más se presentaron durante la Colonia, a consecuencia del descuido y de la falta de limpieza de todo el sistema hidráulico.

F i g u r a 4 .   Los 12 bergantines ilustrando el Códice Florentino,tomo III, pág. 462.

La conquista

Las luchas entre indígenas y españoles no se dieron sólo por tierra, como sería de suponerse en una ciudad tan intercalada por el agua. Los españoles traían tecnología de guerra europea y sabían la ventaja que tenía desplazarse por el lago en fuertes barcos y bombardear con cañones. Aplicando sus conocimientos, en Tlaxcala tallaron 12 bergantines (Figura 4) y antes de armarlos los trajeron en piezas hasta Texcoco (Figura 5), donde los ensamblaron, botaron y armaron con artillería. De inmediato empezaron a buscar los espacios de la laguna con mayor profundidad para atacar a México. En un primer intento llegaron hasta el embarcadero de Acachinanco, por la parte oriental de la isla, y comenzaron a pelear tirando albarradas y muros que sirvieran de protección (Figura 6). Son largas las relaciones de los cronistas acerca de las luchas y las escaramuzas entre españoles e indios, y aunque son pocos los momentos en que los bergantines entraron en batalla, los daños que causaron fueron severos.

F i g u r a 5 .   Los texcocanos ayudando a los conquistadores en el ensamblaje de los 12 bergantines. Ilustración tomada de Sahagún.

Desde un principio los conquistadores se dieron cuenta de que no podrían ganar si no cegaban las acequias, que era donde los indios mejor se defendían. Durante el día las tapaban, y de noche los indios las abrían. Otro aspecto interesante fue la preocupación de Cortés por evitar que el agua potable llegara a México, para lo cual destruyó partes de los acueductos de Coyoacán y de Chapultepec.

Las descripciones que nos llegan de aquellos momentos mostraron muy destacados capitanes mexicanos y tlatelolcas que se enfrentaron a las multitudes indígenas que apoyaban a los españoles y a la tecnología de guerra con hierro y pólvora que traían éstos. Todo terminó cuando, en las acequias de Tlatelolco, apresaron a Cuauhtémoc. Sabemos que los bergantines fueron posteriormente quemados por órdenes del mismo Cortés, para evitar que los españoles regresaran a su país en momentos de desencanto.

La ciudad fue un desastre después de la rendición (Figura 7), que ocurrió el 13 de agosto de 1521. Sus acequias se llenaron de cadáveres podridos y de sangre; las casas quedaron saqueadas y quemadas; la gente enfermó y la población menguó. En tan desesperante situación, los españoles se fueron a Coyoacán a organizar la Nueva España, pero la tradición política de la importancia de México-Tenochtitlan los hizo regresar y restaurarla como capital.

Las primeras décadas de la Nueva España

El ayuntamiento colonial ordenó la traza de una ciudad al estilo español, proyectándose un cuadrángulo trapezoidal que conservaba la mayor parte de las acequias.

Se redujeron los canales y con ello el abasto y la comunicación; el centro geográfico fue la catedral. Se mantuvo el acueducto de Chapultepec y se empezaron a construir otros, tanto en la ciudad como en el interior de la Nueva España, por ejemplo el del padre Francisco de Tembleque, que va de Cempoala a Otumba y es un ejemplo arquitectónico de su tiempo. Se alteraron totalmente los sistemas chinamperos de los cinco lagos, al bajar el nivel normal de las aguas del lago de Texcoco, y para 1540 el paso a esa ciudad ya no se podía hacer por agua.

A partir de la conquista la población sufrió una gran mortandad por enfermedades, miseria, trabajo de esclavos y problemas de producción de alimentos, porque a los indios se les desconectó de su sistema chinampero y no se les dio nada mejor. La erosión del suelo se aceleró con la entrada del arado y del ganado. Las autoridades españolas no se preocuparon por investigar el uso correcto de la tierra mesoamericana, sino que impusieron la agricultura y la fruticultura europeas de manera irracional. Los pueblos indios restringían el uso del bosque y del pastoreo para evitar la erosión del suelo, pero no podían competir con las leyes coloniales.

Se hicieron ciudades de españoles y pueblos de indios; para que los indios de la ciudad de México se fueran se impusieron las costumbres europeas, que los indios no entendían, por lo que se retiraron a los alrededores para continuar con sus tradiciones de sembradío. En México los canales se convirtieron en drenajes, y los viejos lagos en depósitos de basura. Esto provocó inundaciones que alertaron a los sabios, entre otros a Enrico Martínez, que a principios del siglo XVII señaló que las inundaciones eran consecuencia del desmonte y del cultivo inadecuado en toda la cuenca, ya que los suelos desarraigados por el desmonte se iban al fondo de los lagos y taponaban los sistemas de drenaje. Insistió en que las prácticas agrícolas inadecuadas serían la causa de los desastres del lago en la ciudad, pero no fue escuchado. Antes de ello, en 1555 hubo una gran inundación, y desde entonces ya hubo preocupación por proyectar nuevos albarradones y desagües. Pero la administración hispana, plagada de corrupción e indiferencia por los problemas indígenas, resolvía muy lenta-mente cada causa.

F i g u r a 6 .   Los muros de la ciudad de México tirados a cañonazos desde los bergantines. Códice Florentino, tomo I I I , p á g . 4 6 3 .

El primer proyecto de desagüe lo presentó Francisco Goudiel en 1555. Proponía desviar el río Cuauhtitlan por medio de un tajo abierto que atravesaba las montañas de Huehuetoca y conectaba con el río Tepeji; Enrico Martínez mejoró esa idea hacia 1607, después de otras dos inundaciones, al sacar el agua del nivel más bajo del lago de Texcoco hasta el río Tula y sus afluentes, conduciéndola a más de 300 kilómetros; la grandiosa obra fue conocida como Tajo de Nochistongo y dio renombre a México; en ella trabajaron cerca de medio millón de indígenas. La ciudad de México sufrió una gran transformación arquitectónica: los edificios nativos se perdieron totalmente, y se construyeron encima de sus restos grandes residencias, palacios e iglesias de mucho peso, lo que hundió los lodazales originales y provocó en toda la cuenca comportamientos erráticos de tierras y aguas. Esto se manifestó fundamentalmente en diversas inundaciones que se sufrieron, entre ellas las de 1555, 1580, 1604, 1605, 1607, 1615 y 1623, para sólo hablar de los principios del siglo XVII. Dejemos aquí el tema del agua en la Nueva España, que deberá ser tratado con detalle en el futuro.

F i g u r a 7 .   Después de la rendición, la ciudad de México quedó llena de cuerpos y por las acequias corría sangre. Códice Florentino, tomo III, pág. 452.

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Beatriz Barba Ahuatzin es investigadora emérita del Instituto Nacional de Antropología e Historia. Es catedrática de la Escuela Nacional de Antropología e Historia, presidenta fundadora de la Academia Mexicana de Ciencias Antropológicas, miembro del Sistema Nacional de Investigadores, coordinadora del Seminario Permanente de Iconografía de la Dirección de Etnología y Antropología Social del Instituto Nacional de Antropología e Historia y miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

Disponibilidad de agua
en el futuro de México

Agustín Felipe Breña Puyol y José Agustín Breña Naranjo

Más de 35 millones de mexicanos viven con escasez extrema de agua; arriba de 43 millones con disponibilidad baja. De continuar los actuales esquemas de uso y aprovechamiento ineficiente de los recursos hídricos, el futuro de México se ve seriamente amenazado.

Introducción

La gestión del agua es un proceso que se apoya en el conjunto de principios, políticas, actos, recursos, instrumentos, normas formales y no formales, bienes, recursos, derechos, atribuciones y responsabilidades, mediante el cual el Estado, los usuarios y la sociedad promueven coordinadamente, en forma sustentable, el control y manejo de este recurso en beneficio de los seres humanos y su medio social, económico y ambiental.

Uno de los instrumentos de mayor relevancia en la gestión de los recursos hídricos es estimar la disponibilidad del agua en las cuencas hidrológicas, ya que a partir de sus magnitudes se podrán establecer los niveles de escasez o abundancia, asignar equitativamente los requerimientos de los usuarios o llevar a cabo la planeación del recurso agua a corto, mediano o largo plazo.

La disponibilidad natural media de agua por habitante en un año es un indicador fundamental para evaluar la situación de los recursos hídricos de una cuenca hidrológica. Se considera que existe una escasez extrema cuando es menor a mil metros cúbicos por habitante por año, valor que limita drásticamente las posibilidades de desarrollo. La disponibilidad presenta una escasez crítica si su valor se encuentra entre mil y mil 700 metros cúbicos por habitante por año, situación en la cual es necesario tomar medidas urgentes para preservar el recurso. Se tienen disponibilidades bajas y medias si los valores oscilan entre mil 700 y 5 mil metros cúbicos por habitante por año, y 5 mil y 10 mil metros cúbicos por habitante por año, respectivamente. Si las magnitudes son superiores a 10 mil metros cúbicos por habitante por año, se considera que hay una disponibilidad alta.

En la actualidad, más de 50 por ciento de los países tienen disponibilidades medias anuales per cápita menores a 5 mil metros cúbicos, y más de 15 por ciento está colocado por debajo de la barrera que define la escasez crítica. Con las tendencias actuales, en el año 2025 las dos terceras partes de la población mundial vivirán en países con disponibilidad baja de recursos hídricos. Además, la disponibilidad media anual de agua por habitante es muy diferente de país a país, ya que de acuerdo con las estimaciones realizadas por el Sistema de Información sobre el Uso del Agua en la Agricultura y el Medio Rural (Aquastat, 2005), para el año 2004 en Canadá era de 99 mil 700 metros cúbicos; en Argentina, de 29 mil 100; en Estados Unidos, de 9 mil 500; en China, de 2 mil 400, y en Egipto de mil metros cúbicos. México, con una disponibilidad de 4 mil 94 metros cúbicos por habitante, ya se encuentra en el grupo de los países con disponibilidad baja.

Las variables de mayor relevancia que intervienen en la estimación de disponibilidad natural media de agua por habitante en un año son el volumen de precipitación que se presenta sobre el área de la cuenca o región hidrológica, la magnitud de la evaporación, y la población que habita en su área de captación. De no existir cambios climáticos significativos, lluvia y evaporación se presentan con las variaciones normales propias de su ocurrencia, mientras la población presenta un crecimiento de gran magnitud. En consecuencia, la disponibilidad por habitante depende fundamentalmente del número de aquella.

La disponibilidad natural media anual por habitante en México era de 11 mil 500 metros cúbicos en 1955, y por efecto del crecimiento demográfico disminuyó a 4 mil 94 metros cúbicos en 2004. Es decir, se presentó una disminución de 64 por ciento en un periodo de 50 años. En 2020, con el aumento poblacional estimado por el Consejo Nacional de Población (CONAPO, 2003), y de continuar con los mismos esquemas de consumo y desperdicio del agua, la disponibilidad natural media por habitante será de sólo 3 mil 500 metros cúbicos.

A nivel nacional la disponibilidad natural media por habitante se ubica en la gama de disponibilidad baja, con 4 mil 94 metros cúbicos. No obstante, por la distribución irregular del agua en las regiones administrativas, áreas geográficas que la Comisión Nacional del Agua (CNA, 2005) ha implementado para la gestión del recurso, ocurren valores que oscilan de una escasez extrema a una disponibilidad alta.

En fin, las perspectivas de los recursos hídricos en el país son muy preocupantes. Contrastan los 17 mil 254 metros cúbicos por habitante por año disponibles en la región administrativa XI, Frontera Sur, con la escasez extrema de 188 metros cúbicos por habitante por año de la región administrativa XIII, Aguas del Valle de México y Sistema Cutzamala.

Regiones administrativas

Las regiones administrativas son áreas territoriales definidas de acuerdo con criterios hidrológicos y geológicos, y cada una de ellas está constituida por una o varias cuencas hidrológicas. La República Mexicana se ha dividido en 13 regiones administrativas. En la Figura 1 se indican sus límites geográficos, establecidos por la Comisión Nacional del Agua (CNA, 2005).

Las trece regiones administrativas presentan características muy heterogéneas en relación con su superficie, población (al año 2004) y lluvia media anual, estimada con valores del periodo 1941-2004, tal como puede observarse en el Cuadro 1. Por ejemplo, la región administrativa XIII, Aguas del Valle de México y Sistema Cutzamala, donde se ubica la zona metropolitana de la ciudad de México, sobresale por sus contrastes asociados con la población y el área que drenan las cuencas hidrológicas que la forman. En el ámbito nacional es la región administrativa más pequeña, con 16 mil 400 kilómetros cuadrados de superficie, pero en ella se asentaban 21.16 millones de habitantes, cifra equivalente a 20 por ciento de la población total de México.

Otro contraste notorio es la variación de la lluvia media anual en diversas áreas de las regiones administrativas, tal como ocurre en la región administrativa I, Península de Baja California, donde la lluvia media anual es de 202 milímetros, mientras para la región administrativa XI, Frontera Sur, es de 2 mil 260 milímetros. Es decir, en esta última región llueve 11 veces más que en la primera.

Disponibilidad de agua en cuencas hidrológicas

Uno de los instrumentos fundamentales de la gestión del agua consiste en cuantificar el nivel de disponibilidad de este recurso en las cuencas hidrológicas, ya que a partir de sus resultados se pueden asignar las demandas de los diferentes grupos de usuarios en forma equilibrada, detectar las cuencas hidrológicas que no tienen la capacidad para satisfacer las necesidades hídricas de la demanda, o llevar a cabo una planeación hidráulica integral de sus recursos hídricos a corto, mediano o largo plazo.

F i g u r a 1 .   Regiones administrativas de la República Mexicana.

México presenta características geográficas e hidrológicas muy heterogéneas, lo que limita drásticamente la disponibilidad de agua, tanto superficial como subterránea. Dos tercios de su territorio son áridos o semiáridos; en estas zonas se concentra 77 por ciento de la población, pero únicamente presenta 28 por ciento del escurrimiento natural y genera 84 por ciento del Producto Interno Bruto (PIB). En el aspecto hidrológico los contrastes son notorios, ya que en algunas regiones administrativas del sureste llueve 10 veces más que en las zonas áridas del norte del país. Las situaciones anteriores propician la competencia por el agua, su contaminación y la sobreexplotación de los mantos acuíferos.

Por su parte, la metodología que permite estimar el grado de disponibilidad en regiones administrativas comprende dos etapas sucesivas (DOF, 2002). En la primera, con el apoyo de series de valores medios anuales de las variables hidrológicas que intervienen en la metodología, se procede a determinar la disponibilidad media anual de agua superficial y subterránea en las regiones administrativas. Posteriormente, al dividir los valores obtenidos en la etapa anterior entre el número de habitantes de una región administrativa se define la disponibilidad natural media per cápita, magnitud que permite establecer el nivel de disponibilidad. En esta etapa, para delimitar el grado de disponibilidad del agua se ha elegido el criterio desarrollado por Falkenmark (1993), quien ha establecido cinco niveles a partir de intervalos numéricos de la disponibilidad natural media per cápita.

El Cuadro 2 presenta los resultados obtenidos para 2004 en las 13 regiones administrativas, incluyendo la disponibilidad natural media per cápita, en metros cúbicos por habitante por año, y el grado de disponibilidad del agua correspondiente.

Además, el Cuadro 3 indica los grados de disponibilidad de agua establecidos por Falkenmark (1993), en función de la variación de los valores de la disponibilidad natural media per cápita.

Analizando los grados de disponibilidad del agua por región administrativa, sintetizados en el Cuadro 2, se observa que en una hay escasez extrema; en dos, escasez crítica; en cinco, disponibilidad baja; en tres, disponibilidad media, y en dos más disponibilidad alta. En las regiones administrativas I, Península de Baja California, y VI, Río Bravo, hay una escasez crítica, mientras en la región administrativa Aguas del Valle de México y Sistema Cutzamala se presenta escasez extrema. Las dos primeras regiones se localizan en áreas áridas y semiáridas, donde las lluvias son escasas, mientras la tercera región se ubica en una cuenca hidrológica sin capacidad hídrica para satisfacer las necesidades de agua de una población de 21.16 millones de habitantes.

Asimismo, el grado de disponibilidad de agua de las regiones administrativas VII, Cuencas Centrales del Norte, y VIII, Lerma-Santiago-Pacífico, se ubican entre los límites de la disponibilidad baja y la escasez crítica, y en poco tiempo se incorporarán a esta última categoría. Para que esto suceda es necesario tener una disponibilidad natural media per cápita que fluctúe entre mil y mil 700 metros cúbicos por habitante por año, y para las regiones VII y VIII estos valores eran de mil 726 y mil 820 metros cúbicos por habitante por año, respectivamente.

Sin embargo, la región administrativa XIII se encuentra en una situación de crisis extrema, ya que su disponibilidad natural media per cápita es de únicamente 188 metros cúbicos por habitante por año, y de acuerdo con el criterio de Falkenmark (1993) para esta magnitud la región experimenta una escasez absoluta de agua, amenazando la producción de alimentos, el suministro de agua a los diferentes grupos de usuarios y daño a los ecosistemas, situación que ya ocurre en la zona metropolitana de la ciudad de México. Además, si se toma como punto de referencia la disponibilidad natural media per cápita a nivel nacional, que como ya se ha dicho es de 4 mil 94 metros cúbicos por habitante por año, en la región administrativa XIII se tiene una disponibilidad 22 veces menor respecto al valor medio nacional.

Alternativas para incrementar la disponibilidad del agua

La gestión del agua en México se ha aplicado en forma aislada y discontinua, sin una planeación integral. Esta situación ha provocado una problemática caracterizada por servicios de agua potable, alcantarillado y saneamiento deficientes para la población urbana y rural; contaminación de cuerpos de agua por descargas residuales sin tratamiento; daños por inundaciones y sequías, conflictos entre usuarios por las fuentes de abastecimiento de agua, sobreexplotación de acuíferos, uso ineficiente del agua en núcleos urbanos (fugas del orden de 40 por ciento en redes de abastecimiento) y en zonas agrícolas (eficiencia promedio del 40 por ciento) y algunos otros problemas locales.

Asimismo, la problemática se ha incrementado por el desequilibrio entre la disponibilidad del agua y la población, ya que las cuencas hidrológicas tienen un volumen de agua limitado para satisfacer las necesidades de los habitantes asentados en ella y de las actividades productivas que requieren este recurso. En México no se aplica este principio, y es común que núcleos urbanos, parques industriales y zonas agrícolas se desarrollen en lugares sin disponibilidad suficiente de agua.

Por su parte, la disponibilidad del líquido puede incrementarse en una cuenca hidrológica si los usos ineficientes en zonas urbanas y agrícolas se optimizan, si se incrementa el uso de agua tratada en actividades que no requieren agua potable, o si se reduce la dotación de agua por habitante.

Por ejemplo, una alternativa viable es reducir el porcentaje de fugas en las redes de agua potable de las áreas urbanas. En promedio se pierde 40 por ciento del agua abastecida: en el año 2000 se fugaron por las redes de agua potable 119 metros cúbicos por segundo. Si se recupera un metro cúbico por segundo y se supone una dotación de 200 litros por habitante por día, se podría abastecer a un núcleo poblacional de 432 mil personas.

Otra alternativa factible es fomentar el uso eficiente del agua en la producción agrícola. De acuerdo con estudios llevados a cabo por la Comisión Nacional de Agua (CNA, 2002), únicamente se aprovecha 40 por ciento del agua que se utiliza en el riego agrícola. En 2000 se utilizó para la producción agrícola un gasto de mil 793 metros cúbicos por segundo, y por uso ineficiente se perdieron mil 76 metros cúbicos por segundo debido a problemas de azolve e infiltraciones en las redes de canales que abastecen el agua, por exceso de láminas de riego, por uso de tecnología obsoleta y por nivelación inadecuada de parcelas, entre otros factores. El gasto de mil 76 metros cúbicos por segundo podría utilizarse para abastecer de agua potable a la población, o para satisfacer las actividades económicas que utilicen agua como insumo.

Incrementar el uso de agua residual tratada y su recurso son alternativas viables para aumentar la disponibilidad del agua en las regiones administrativas donde se presenta una escasez crítica o extrema. Los centros urbanos generaron en 2000 un gasto total de 252 metros cúbicos de aguas residuales por segundo, mientras la industria aportó 171 metros cúbicos por segundo de aguas residuales. Ambos gastos podrían usarse para satisfacer las demandas de usos que no requieran agua potable.

Finalmente, la población podría contribuir al incremento de la disponibilidad del agua a través de una reducción en la dotación de agua potable que utiliza diariamente. En promedio, el mexicano utiliza una dotación de 262 litros por habitante por día para satisfacer sus necesidades hídricas; los países industrializados con programas de concientización de uso eficiente y cobro de tarifas reales están reduciendo drásticamente las dotaciones. La meta del programa que ha establecido Alemania, país que tiene actualmente una población de 83 millones de habitantes, es alcanzar una dotación de 120 litros por habitante por día para 2005. Es urgente establecer en nuestro país este tipo de esquemas.

Conclusiones

En 2004 un total de 35.25 millones de mexicanos vivían en regiones administrativas que estaban clasificadas, desde el punto de vista de la disponibilidad, con una escasez crítica y extrema, con problemas gravísimos para satisfacer sus necesidades hídricas.

Además, el grado de disponibilidad en las regiones administrativas VII y VIII se ubica entre los límites de disponibilidad baja y escasez crítica. De continuar con la aplicación de las políticas hidráulicas ineficientes sobre uso y aprovechamiento del agua, en un tiempo corto las dos regiones administrativas, cuya población total es de 24.65 millones de habitantes, se incorporarán al grado de escasez crítica.

Este análisis sobre la disponibilidad media anual en las regiones administrativas de la República Mexicana pone de manifiesto la necesidad urgente de conocer con detalle y precisión sus magnitudes, ya que serán determinantes para la aplicación de una gestión integral del agua, esquema innovador que se ha diseñado para resolver los complejos problemas que han surgido en las últimas décadas debido al crecimiento acelerado de la población y de las actividades económicas.

Ahora bien, los resultados presentados en este artículo, a partir de valores medios anuales, presentan grandes variaciones, por ello se recomienda realizar estudios futuros sobre la estimación de la disponibilidad utilizando datos mensuales y semanales, en especial en regiones donde se presenta una escasez y disponibilidad baja, y con sus resultados proponer nuevos esquemas de uso y aprovechamiento acordes con la disponibilidad.

Finalmente, uno de los grandes retos de los organismos encargados de la gestión del agua, y de la sociedad en general, se centra en nuestra capacidad para diseñar sistemas de control, distribución y acceso al recurso que garanticen la equidad social, dada la certeza creciente de que en el futuro cercano la ocurrencia de conflictos violentos en torno al control y acceso a los recursos hídricos será inevitable.

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Agustín Felipe Breña Puyolobtuvo el doctorado en Ingeniería Civil en la Universidad de Laval, Québec, Canadá. Es profesor-investigador de la licenciatura en ingeniería hidrológica de la Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa. Sus trabajos de investigación y docencia están orientados a la gestión integral del recurso agua, los diagnósticos y balances hídricos, los procesos de la hidrología superficial y la hidrología urbana. Ha participado en diversas comisiones académicas y científicas relacionadas con el recurso agua y como asesor especialista en agua en instituciones públicas, privadas y en el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

José Agustín Breña Naranjo es ingeniero hidrólogo por la Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa. Sus líneas de investigación son gestión de los recursos hidráulicos, gobernabilidad del agua e hidrología superficial. Es autor y co-autor de varios artículos internacionales. Es ayudante de laboratorio de la licenciatura en ingeniería hidrológica de la Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa desde 2004. Es miembro activo del Young Water Action Team(YWAT) y del International Flood Network (IFNET). Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

La distribución
 del agua subterránea
en México

Héctor Luis Macías González y Rodolfo del Arenal Capetillo

La vida en las aguas continentales

Luis Zambrano

No podemos pasar por alto a los organismos de lagos y ríos en los planes de manejo y mantenimiento de los recursos acuáticos; resulta impostergable generar prácticas de conservación para que los cuerpos de agua tengan una vida útil para el ser humano.

Introducción

En la sociedad occidental el agua se percibe como un recurso no renovable útil para diferentes actividades, como el consumo humano e industrial o para la agricultura. Los cuerpos de agua continentales también son vistas como medio de comunicación entre ciudades o países por medio de barcos. En el peor de los casos, los recursos acuáticos son usados como desagües para deshacerse de contaminantes.

La preocupación por la disminución del recurso agua, que recientemente se ha hecho presente en el ánimo de la sociedad, está dirigida precisamente a los problemas que se suscitarían en nuestra civilización si no contáramos con el vital líquido. Sin embargo, en raras ocasiones se piensa que los ríos y los lagos son también el hábitat de una gran diversidad de organismos acuáticos.

Hay muchas razones por las que rara vez pensamos en las plantas y animales que viven en los sistemas acuáticos. Una es que el agua es un elemento vital para la vida humana, y como consecuencia entramos en competencia con los organismos que viven en ella. Otra razón puede ser que la popularidad de las peceras y acuarios, donde se encierra a los organismos más vistosos del medio acuático, haya generado un efecto contrario al esperado. El sentido común sugiere que los zoológicos y los acuarios educan a la población, fomentando la importancia de la conservación en el ánimo colectivo. Sin embargo, a diferencia de los animales de los zoológicos, los acuarios pueden montarse en domicilios particulares, y por tanto su decoración deja de ser similar a su hábitat natural, con lo que la función del acuario pasa a ser únicamente estética y artificial. El ver a un animal como adorno dentro de un tanque reduce las posibilidades de considerarlo como bandera para su conservación o la de su hábitat. Además, los organismos en las peceras son muy distintos a sus hermanos del medio natural, donde es prácticamente imposible ver a los organismos que se encuentran dentro del agua.

Ajolotes de Xochimilc (foto:Carmen Loyola)

El entendimiento de un sistema como hábitat de muchas especies surge en gran medida del hecho de poder ver a dichas especies en tal hábitat. Cuando uno visita la selva, la exuberancia de los árboles transmite el sentimiento de vida dentro de ésta. En la selva, fijándose muy poco, uno se encuentra con insectos de todo tipo, y con un poco de suerte logra observar lagartijas, sapos o hasta pequeños mamíferos. Fijándose más, se verán aves y quizá algún mamífero gran-de, como un mono. Esto ha ayudado a que la humanidad comprenda que la selva es el hogar de muchas especies, y que es muy importante conservarla. No sucede así con los sistemas acuáticos, donde con fortuna, en un sistema turbio (como son la mayoría de los sistemas acuáticos mexicanos) uno verá alguna planta emergente o un lirio flotante (que por lo general se consideran una plaga).

La gente se sorprende cuando se entera de que Xochimilco tiene organismos vivos. Quizá se les hace extraño que pueda contener vida un sistema acuático en medio de la ciudad más grande del mundo, con agua turbia y muy contaminada, invadida por el turismo, con mariachis, quesadillas y alcohol. No sólo eso: más extraño les parece que todavía contenga vida nativa y endémica de México. La razón de esta sorpresa es que los organismos no son visibles.

Xochimilco cuenta con una gran diversidad de organismos de todo tipo, y si un sistema acuático tan alterado por el ser humano como éste puede ser hábitat de una muy amplia variedad de especies, imaginemos lo que pueden tener lugares con menos perturbación.

Pez de agua dulce en cenote de Tulum (foto: Thomas DeWitt)

Para entender cuáles son los tipos de organismos que se en
cuentran dentro de los sistemas acuáticos, a continuación presentamos una breve descripción de los más característicos.

Organismos no visibles que viven en ríos y lagos

Hay una gran variedad de organismos que no se pueden ver a simple vista dentro del agua, puesto que son microscópicos, pero tienen un papel fundamental en hacer del sistema acuático un lugar habitable para el resto de las especies.

Dentro de este tipo de organismos se encuentra el fitoplancton (comúnmente conocidos como algas) y el zooplancton (entre los que figuran también pulgas de agua, que sirve de alimento para peces en los acuarios). Por otra parte, existen diversos organismos macroscópicos que tampoco pueden verse a simple vista, ya sea porque están enterrados en el fondo de los lagos (llamados organismos bentónicos) o se encuentran dentro de otros organismos, porque son parásitos de los vertebrados. A continuación se hace una breve descripción de cada uno de estos grupos.

a) Fitoplancton: es el causante de que el agua se vea verde en un lago o en un río. Son células de algas, o colonias de esas células, que flotan libremente en el agua. Como cualquier planta, estos organismos necesitan de recursos para hacer la fotosíntesis, así como de nitrógeno y fósforo para sobrevivir y multiplicarse. Puesto que flotan cerca de la superficie, la luz rara vez se convierte en un recurso limitante, a menos que el agua sea muy turbia. A diferencia de las plantas, el fitoplancton no cuenta con estructuras duras y difíciles de producir (tallos, hojas, raíces), por lo que su capacidad de reproducción es muy rápida: sólo se enfoca en duplicar las células que hacen la fotosíntesis. Esta velocidad de reproducción hace que las células de fitoplancton sean capaces de cambiar el color del agua de un lago de transparente a verde en pocos días, e incluso en horas. Entre más verde es un lago, más fitoplancton tiene, lo cual puede verse como una ventaja (ya que se considera que puede dar más energía para productividad y diversidad, lo cual no necesariamente es cierto, como veremos más adelante) o desventaja (pues se considera que entre más verde un lago está más eutroficado, sinónimo de contaminado para muchas personas). El fitoplancton es una de las bases de la cadena alimentaria en los cuerpos de agua, y como tal es fundamental comprenderlo no sólo en su diversidad, sino también en su capacidad productiva dentro del ecosistema.

b) Zooplancton: los primeros en consumir el fitoplancton son organismos que viven en la columna de agua y componen al zooplancton. La gran mayoría de estos organismos sólo se pueden ver bajo el microscopio, pero los más grandes (aquellos que se venden en las tiendas de mascotas como alimento de peces, de color rojo-anaranjado) se perciben a simple vista. Un primer grupo de zooplancton son los protozoarios, organismos unicelulares que son los componentes menos abundantes, tanto en número como en biomasa, de esta comunidad. Los grupos más importantes de zooplancton en ríos y lagos son los rotíferos, los cladóceros y los copépodos. Los rotíferos pertenecen al grupo de los asquelmintos (un tipo de gusanos), y por lo general son el grupo de tamaño más pequeño entre los tres mencionados. Los otros dos (cladóceros y copépodos) son crustáceos, es decir parientes cerca-nos de los camarones. Los cladóceros son quizá los más famosos, pues son los que se venden como comida viva para los peces con el nombre de "pulgas de agua". Estos organismos se alimentan de fitoplancton, y por lo general son la bisagra más importante entre la producción primaria (las algas) y los consumidores mayores (los peces). Finalmente los copépodos son en su mayoría carnívoros. Se alimentan de otros miembros de la comunidad zooplanctónica, formando una cadena alimenticia microscópica en la columna de agua. Aun siendo pequeños, este tipo de organismos desarrollan dinámicas de depredación interesantes, puesto que son capaces de seleccionar el tipo de alimento, y pueden modificar la estructura de la comunidad de fitoplancton.

Rana cercana a un humedal en la Reserva de la Biosfera de Sian Ka'an (foto: Sam Mecham).

c) Bentos: de la columna de agua pasamos al fondo del cuerpo acuático. A los animales que viven sobre o dentro del sedimento del río o del lago se les denomina bentos. Los tipos de organismos bentónicos son muy variados: pueden ser unicelulares, como bacterias y protozoarios; esponjas de agua dulce, gusanos planos como los platelmintos, gusanos típicos como las sanguijuelas, ostrácodos (que son crustáceos encerrados en dos conchas, a manera de ostra microscópica), decápodos como los acociles, moluscos como los caracoles, e insectos de todo tipo, desde larvas de mosquitos y de libélulas hasta escarabajos acuáticos. Puesto que sus formas son muy variadas, este tipo de organismos se alimenta de toda clase de fuente de energía: algunos comen detritus, otros plantas, otros son depredadores y las sanguijuelas consumen la sangre de algunos vertebrados. Los organismos bentónicos son parte importante en la reincorporación al ciclo trófico de la materia que muere en la columna de agua. En particular las bacterias son buenas para descomponer materia orgánica; parte fundamental del reciclaje de energía se lleva a cabo en el bentos por medio de este tipo de organismos.

d) Parásitos: son el otro tipo de organismos que no pueden verse a simple vista porque se encuentran escondidos, son los parásitos acuáticos. En este grupo se encuentran animales que se incrustan en la piel o en las agallas de peces y algunos anfibios como crustáceos y ácaros. Otro tipo de parásitos se alojan en el intestino de peces y ranas, como los helmintos, unos gusanos parientes de la "solitaria" que afecta al ser humano. Los hongos, como los chitidrios, son parásitos que afectan específicamente la piel de todos los anfibios. Recientemente la preocupación por la infección de este tipo de hongos ha aumentado, pues la enfermedad afecta a todos los anfibios alrededor del mundo. Es quizá la amenaza más grande (y hay muchas) a la que se enfrentan hoy muchas especies de anfibios. Sin embargo, no todos los parásitos generan malas noticias dentro de los sistemas. Muchos de ellos necesitan de varios hospederos para completar su ciclo de vida. Por ejemplo, un helminto puede necesitar de un copépodo, un ave o un pez para desarrollar toda su vida y poder reproducirse. Por tanto, estos parásitos son indicadores de la salud del sistema, pues de faltar uno de esos elementos no puede sobrevivir. Contrario a lo que se piensa, el que los peces de un lago o un río no tengan un solo parásito helminto sugiere que este sistema está en muy mal estado.

Organismos visibles que viven en ríos y lagos

Calificar a los siguientes organismos como "visibles" es muy relativo. Más bien son organismos conspicuos, pues aun cuando son de tamaño grande, casi nunca es posible verlos desde afuera del agua. Es más difícil detectarlos en sistemas turbios, y en la gran mayoría de casos podemos ver sólo parte de ellos (como las plantas emergentes) o las corrientes que forman al nadar (como los cardúmenes de peces). En ocasiones las cabezas de algunos peces o anfibios se pueden detectar cuando salen a boquear o por alimento. Aun así, por ser los organismos de mayor tamaño, son los que la mayoría de personas conoce gracias a los acuarios.

Ninfa en Humedal de LA Reserva de la Biosfera de Sian Ka án (foto: Laboratorio de Restauración Ecológica).

a) Algas y plantas: los productores primarios macroscópicos, como algas y plantas, están entre los organismos más visibles dentro de ríos y lagos. A este tipo de organismos también se les conoce como macrofitas. Las algas, por ejemplo, son la principal causa de que las piedras de los ríos se pongan verdosas y la gente se resbale al intentar cruzarlos. Algunas algas han generado estructuras suficientemente fuertes como para soportar las corrientes de agua. En los lagos, a las macrofitas se les puede clasificar por su forma y por el lugar que ocupan dentro del mismo. Así, tenemos a las sumergidas (pueden ser algas o plantas) que nunca llegan a la superficie. Este tipo de macrofitas son muy apreciadas para los manejadores de lagos, porque indican que el agua es transparente y, por tanto, de buena calidad. Las plantas emergentes son las que se encuentran en los márgenes del cuerpo de agua. Los pastos altos donde se esconden los cazadores de patos son un ejemplo característico de este tipo de plantas. Finalmente están las plantas flotadoras, como el lirio o la lentejilla. Este tipo de plantas pueden ser muy agresivas para el sistema, porque pueden reproducirse a gran velocidad y en poco tiempo cubrir toda la superficie de un lago, dejando en completa oscuridad a todos los organismos que viven dentro del agua.

Rana arborícola cercana a cenote (foto: Thomas DeWitt).

En general las macrofitas son grandes generadoras de diversidad espacial dentro de los cuerpos de agua, lo cual se debe a su capacidad para modificar el espacio dentro de un río o un lago. En comparación con un sistema terrestre, un lago sin plantas podría parecerse a un desierto, mientras un lago con plantas se parecería más a un bosque. Esta heterogeneidad implica que existan sitios para esconderse de los depredadores; también aumenta el sustrato en donde poner huevos, circular o alimentarse. En resumen, las macrofitas dentro de los lagos no sólo son productores primarios, base de la cadena trófica, sino que también hacen que un río o un lago tenga estructura espacial diferente, lo que aumenta la posibilidad para otras especies de sobrevivir y reproducirse.

b) Peces: son los organismos más conocidos dentro de los sistemas acuáticos. Sin embargo, la gran mayoría de personas considera que los peces son grandes organismos como los que se aglomeran en el lago de Chapultepec para recibir pan de los paseantes dominicales, o los famosos peces dorados típicos de las peceras. Pero estos ejemplos están muy alejados del tipo de peces nativos de México. Poco conocidos aquí, pero apreciados en muchos países europeos, los godeidos (una familia que prácticamente es exclusiva de nuestro país) es uno de los grupos más representativos de la cuenca central de México. Muchos de ellos han logrado sobrevivir a las condiciones tan perturbadas que el río Lerma les impone, pero actualmente la gran mayoría está en peligro de extinción. Además de éstos, otros peces, llamados cíclidos y poecílidos (un poco más conocidos por los acuaristas) son también parte fundamental de la ictiofauna (fauna de peces) mexicana.

Algunos lagos son propicios para la diversidad de estos organismos. Por ejemplo, hay lagos en la Península de Yucatán que cuentan con cuatro diferentes especies de peces que únicamente se encuentran ahí. Estas especies no están en peligro de extinción, pero hay otros casos más tristes, como el de Zoogoneticus tequila, una especie que solía vivir sólo en un manantial en Jalisco y que desde hace unos años se considera extinta, puesto que el manantial se convirtió en balneario y se introdujeron otras especies de peces.

Los peces tienen funciones ecológicas muy diversas dentro de los ríos y lagos, debido a que ocupan todo el espectro dentro de la red trófica. Esto es, algunas especies pueden comer fitoplancton; otras, zooplancton; algunas, plantas; otras, larvas de insectos; otras más, peces, en tanto que otras pueden comer todo lo anterior. Esto convierte a los peces en uno de los grupos más importantes para mantener la estructura de la pirámide trófica de un río o lago.

c) Anfibios y reptiles: son pocas las especies de anfibios y reptiles que viven enteramente dentro de los cuerpos de agua de un río o lago. Sin embargo, particularmente para los anfibios, los cuerpos de agua son fundamentales en gran parte de su ciclo de vida. La mayoría de anfibios necesitan del agua para reproducirse y ahí pasan sus primeras etapas de vida. Los sapos, ranas y salamandras, por ejemplo, necesitan del agua para sobrevivir durante una parte o toda su vida. Muchos reptiles también necesitan del agua para sobrevivir, y entre los más notables se encuentran los cocodrilos, pero también existen muchas serpientes que viven gran parte del día dentro del agua.

d) Aves: las aves son quizá los organismos más vistosos, y ayudan a comprender lo importante que puede ser un cuerpo de agua. Por ser migratorias, algunas aves comienzan a aparecer en una determinada zona cuando las condiciones de un lago están mejorando. Por ello pueden ser buenos indicadores de la mejora de un sistema. No todas las aves son necesariamente migratorias: algunas garzas, gallaretas o patos se quedan de manera permanente en su hogar acuático. Las aves pueden comer peces, anfibios, plantas o insectos. Su supervivencia depende de que tengan no sólo comida, sino también sitios para anidar. Las plantas emergentes les brindan a sus crías protección contra la depredación y por ello un sitio sin plantas es poco amigable para cualquier tipo de ave.

Lago en Plan de la Noria (foto: Laboratorio de Restauración Ecológica).

e) Mamíferos: aun cuando son pocos, todavía existen mamíferos capaces de vivir en los cuerpos de agua. Quizá los más espectaculares son los delfines rosas que habitan en el Amazonas. Pero sin ir muy lejos, en el río Balsas todavía es posible encontrar nutrias, y en los cuerpos de agua del sur del país los manatíes están presentes. Por su tamaño, los mamíferos acuáticos por lo general son últimos en la cadena  tró­fica. Son pocas las especies que se alimentan únicamente de plantas, como los manatíes.

Las dinámicas de los sistemas acuáticos

Una vez conocidos los organismos que se encuentran dentro de los sistemas acuáticos, es posible entender que estos sistemas tienen dinámicas propias dentro de las cuales interactúa cada organismo. Hasta hace pocos años se consideraba que los sistemas acuáticos únicamente respondían a las variables abióticas (constituidas por elementos no biológicos). Por tanto, los organismos que vivían dentro estaban a merced de lo que sucedía con las concentraciones de nutrientes, la temperatura, la salinidad o la cantidad de luz presentes. Se consideraba entonces que para modificar un sistema acuático lo único que se tenía que hacer era aumentar o disminuir alguna de estas variables abióticas, pues los organismos únicamente iban a responder de manera lineal a este efecto.

Por ejemplo, si se quería producir más pe­ces para la acuacultura dentro de un lago, bastaba con aumentar los nutrientes, para que las algas crecieran y fueran el forraje de los peces a cultivar. Otro ejemplo: para contar con un sistema transparente había que hacer lo contrario, reducir los nutrientes del agua, y así moriría todo el fitoplancton. En algunas ocasiones este tipo de prácticas tiene éxito, pero en la gran mayoría de casos el resultado deseado sólo es de corto plazo, o claramente fallan.

La falta de resultados satisfactorios a partir de considerar a los elementos abióticos como reguladores del sistema se debe a que los organismos acuáticos también pueden generar una respuesta que genera modificaciones dentro de la pirámide trófica, y en algunos casos incluso sobre los elementos abióticos. Hace algunas décadas los investigadores comenzaron a generar nuevas teorías respecto a los lagos, entendiéndolos como sistemas dinámicos donde cada uno de sus elementos (fitoplancton, zooplancton, peces, etcétera) interactúa y modifica a los demás. De esta manera surgieron ideas que sugieren que el tipo de peces en un sistema acuático puede afectar la cantidad de fitoplancton (y en consecuencia la turbidez del agua) presente en la columna de agua. La teoría sugiere que las algas no sólo dejan de crecer por falta de recursos (nutrientes en el agua), sino también puede haber pocas algas cuando la cantidad de depredadores (el zooplancton) es muy alta. Si hay muchos depredadores, debe haber pocas presas, y para que existan muchos depredadores   del   fitoplancton es necesario que haya pocos depredadores del zooplancton (los peces zooplanctívoros). En pocas palabras, es posible contar con agua transparente en un lago si se reduce la cantidad de peces zooplanctívoros.

Este tipo de teorías han modificado en gran medida la forma de pensar de muchos ecólogos. En el fondo, estas ideas reposicionan a los organismos de un lago, que pasan de ser únicamente variables que responden a factores abióticos a ser entes capaces de modificar a esas variables abióticas. Esto es, el sistema deja de ser monodireccional y se transforma en un sistema donde cada uno de sus elementos, abióticos y bióticos, son capaces de influirse mutuamente, por lo que se vuelve un sistema de retroalimentación.

Estas teorías que relacionaron a los peces con la turbidez fueron las primeras en ver a los lagos como sistemas dinámicos y multidireccionales. Por ejemplo, la diversidad espacial generada por las plantas en un cuerpo de agua también es capaz de modificar variables abióticas. Las plantas enraizadas aumentan el potencial del espacio donde pueden crecer, alimentarse y reproducirse diferentes tipos de organismos, que van desde aves hasta invertebrados del bentos.

El aumento de la heterogeneidad no sólo se limita al espacio. El crecimiento de las plantas modifica la cantidad de luz que puede entrar a un lago, la temperatura del agua y la posibilidad de resuspensión del fondo. El tipo de plantas relacionados con la profundidad de un lago o un río es capaz de seccionarlo espacialmente: diferentes tipos de vida se dan únicamente en cierta parte, y es imposible que sobrevivan en otra. Así, gracias a los organismos que viven ahí, los ríos y lagos no son equivalentes a tubos u ollas donde lo mismo da estar en un sitio que en otro, pues las condiciones no son iguales. En realidad los ríos y lagos son mosaicos, y cada uno cuenta con diferentes características únicas que permiten aumentar la biodiversidad.

Influencia de los microorganismos

Los organismos macroscópicos no son los únicos que pueden modificar todo el sistema. También los seres microscópicos pueden influir en diferentes medidas sobre las variables abióticas. Por ejemplo, en la capa superficial del fondo de un río o un lago existen diversas colonias de organismos unicelulares, como bacterias, o multicelulares como las algas, que se consolidan conforme pasa el tiempo. El viento genera corrientes y olas que pueden erosionar las orillas de los lagos. La erosión provoca un aumento en la concentración de sólidos en el agua y, por tanto, ésta se ve de color café. Lo anterior puede verse claramente en lagos como el de Pátzcuaro, donde la resuspensión de sedimentos ha hecho que el agua esté permanentemente turbia, debido a la cantidad de sedimento rebotado.

Si al sedimento se le deja reposar sin perturbación (sin que las olas, corrientes o motores fuera de borda remuevan el fondo), las colonias de bacterias y algas comienzan a crecer y pueden ser capaces de aumentar la velocidad de consolidación del fondo del lago. Un lago con fondo consolidado resiste más los embates de las corrientes, y por tanto evita que éstas puedan resuspenderse de nuevo en el fondo. Así, las colonias que crecen en los fondos de ríos y lagos pueden generar dinámicas de retroalimentación positiva, en las que, cuanto más crecen, más difícil es resuspender el sedimento, y por tanto es posible que crezcan aún más colonias. Un lago con fondo más consolidado tiene mayores probabilidades de contar con agua transparente y una comunidad de macrofitas saludable, y en consecuencia con mayor diversidad.

Es precisamente el estudio de estas dinámicas, y el entender a ríos y lagos como sistemas multidireccionales, lo que ha hecho que algunos ecólogos de lagos someros hayan sido capaces de generar modelos para entender, desde una perspectiva matemática, el funcionamiento de cada uno de estos elementos dentro del sistema. De este tipo de modelos han surgido ideas como las dinámicas biestables, que sugieren que los lagos son sistemas con retroalimentaciones positivas y negativas, las cuales cuentan únicamente con dos puntos de estabilidad: un punto estable donde el agua es turbia y el lago poco diverso, y otro punto estable donde el agua es transparente y con abundante biodiverdad. Pasar de un punto estable a otro depende de muchas variables y condiciones, mas por lo general se sugiere que una vez que se pasa de un sistema estable transparente a uno turbio, cuesta mucho trabajo y dinero regresarlo a su estado original. El fondo de esta teoría sugiere que los lagos son capaces de "resistir" grandes perturbaciones sin modificarse en lo absoluto. Pero una vez que se llega a un umbral, el lago cambia radicalmente sus condiciones, y para retornar a su estado original es necesario regresar a otro umbral mucho muy por abajo del estadío en que se generó la modificación.

De esta manera, la biodiversidad es un elemento fundamental para el mantenimiento de los cuerpos sobre la superficie continental. La conservación de los organismos acuáticos conlleva un elemento ético muy importante relativo a la posición que tiene el ser humano en la naturaleza, al ser capaz de generar extinciones de los diferentes organismos que habitan dichos cuerpos de agua. Pero también cuenta con un elemento práctico: los organismos influyen de manera directa en la calidad de agua, la tasa de azolvamiento de un río o lago, y su potencial productivo. Al incluir a los organismos que conforman la vida de lagos y ríos como agentes activos en la dinámica de los cuerpos de agua, nos damos cuenta de que no podemos dejarlos de lado en los planes de manejo. Por tanto, es fundamental generar prácticas de conservación de esos organismos para disponer de cuerpos de agua que tengan una vida útil para el ser humano.

Luis Zambrano es biólogo por la Facultad de Ciencias y doctor por el Instituto de Ecología de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Hizo su posdoctorado en la Universidad de Wageningen, Holanda. Ha trabajado en restauración de sistemas acuáticos en Inglaterra, con la Universidad de East Anglia. Actualmente es investigador del Instituto de Biología de la UNAM, donde está a cargo del Laboratorio de Restauración Ecológica.

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