Calentamiento Global: La Perspectiva Biológica: Funcionamiento de
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Utilizando un Terrario Como Modelo Para Explicar el Funcionamiento de los Ecosistemas Prof. Mario Tacher MSP21-Nivel Intermedia Universidad Interamericana Recinto de Bayamón Objetivos Construir un terrario y utilizarlo como modelo de ecosistema. Identificar los componentes bióticos y abióticos dentro del terrario. Visualizar el flujo de energía y reciclaje de la materia en el terrario. Visualizar los procesos de fotosíntesis y respiración celular dentro del terrario. Reconocer que durante los procesos de transformación en los ecosistemas, se conservan la materia y la energía Objetivos Identificar los componentes de los ciclos biogoquímicos de carbono, nitrógeno y fósforo Relacionar el ciclo del carbono con el efcto invernadero y el calentamiento global Entender como las plantas reducen la cantidad de CO2 atmosférico. Crear conciencia sobre la conservación de los recursos naturales y analizar las consecuencias de no hacerlo Preguntas Escenciales (PE) y Comprensión Duradera PE4: ¿Cuál es la evidencia existente sobre los factores que han llevado al aumento de la temperatura global durante el siglo 20 y los primeros años del siglo 21? CD4 El efecto invernadero es un proceso físico conocido que es influenciado por la presencia de ciertos gases en la atmosfera de la Tierra, incluyendo el dióxido de carbono y el metano (9.4). Preguntas Escenciales (PE) y Comprensión Duradera PE7 ¿Yo puedo ayudar a conservar los recursos de la Tierra? CD7 Cada residente de Puerto Rico debe asumir responsabilidad al estar informado de asuntos tales como la contaminación y la conservación de los recursos naturales (9.4). Objetivos de Transferencia T1. Al finalizar la unidad, el estudiante utilizará el conocimiento sobre los recursos naturales y los recursos hechos por el hombre para explicar sus efectos positivos y negativos sobre la Tierra, así como analizará los sucesos ambientales actuales que pudieran afectarlos por los próximos años (9.4). Objetivos Adquisición Inferir que durante los procesos de cambio la materia y la energía se conservan (8.3, 8.4). Argumentar sobre la importancia de proteger, conservar y mantener el equilibrio de las zonas de vida en Puerto Rico y en el planeta entero. Relacionar el uso de combustibles fósiles con la producción de energía y el cambio climático. Definir operacionalmente el término conservación y reconocer la importancia de conservar los recursos naturales. Procesos y Destrezas Desarrolla y usa modelos: El estudiante usa y revisa modelos para predecir, probar y describir fenómenos más abstractos y diseñar sistemas. Se desarrollan modelos para predecir y describir fenómenos y mecanismos no observables (PD2: 8.3, 8.4). Desarrolla y usa modelos: El estudiante usa y revisa modelos para predecir, probar y describir fenómenos más abstractos y diseñar sistemas. Se desarrollan modelos para predecir y describir fenómenos o mecanismos no observables, y para generar datos que prueben ideas sobre los sistemas diseñados, incluyendo aquellos que representan entradas y salidas (PD2: 9.3). Estándares e Indicadores Relevantes Estándar: Conservación y Cambio EI.F.CF1.CC.1 Desarrolla y usa un modelo para describir cómo el número total de átomos no cambia en una reacción química, y por lo tanto la masa se conserva. El énfasis está en aplicación de la ley de conservación de la materia en las ecuaciones químicas balanceadas representado por modelos físicos o dibujos, incluyendo los medios digitales, para representar átomos (8.3). Estándares e Indicadores Relevantes Estándar: Conservación y Cambio EI.T.CT2.CC.3 Formular preguntas que sustenten la evidencia sobre los factores que han provocado el aumento en la temperatura global durante el siglo 20 y los primeros años del siglo 21(9.4). Estándares e Indicadores Relevantes Estándar: Conservación y Cambio EI.T.CT3.CC.1 Aplica principios científicos para diseñar un método de monitoreo para minimizar algún impacto humano sobre el ambiente. Ejemplos de procesos de diseño pueden incluir examinar los impactos humanos sobre el ambiente, evaluar las soluciones posibles, y diseñar y evaluar soluciones que pueden ayudar a reducir el impacto. (9.4). Estándares e Indicadores Relevantes Estándar: Interacciones y Energía EI.F.CF3.IE.5 Construye, usa y presenta argumentos para apoyar la premisa de que cuando la energía cinética de un objeto cambia, se transfiere energía desde o hacia el objeto. El énfasis está en la Ley de Conservación de Energía(8.4). Estándares e Indicadores Relevantes Estándar: Interacciones y Energía EI.T.CT2.IE.3 Identifica los componentes y describe el proceso que ocurre en los ciclos biogeoquímicos de carbono, nitrógeno y fósforo entre otros. (9.3, 9.4). Estándares e Indicadores Relevantes Estándar: Estructura y niveles de organización de la materia: EI.F.CF4.EM.1 Planifica una investigación para recopilar evidencia que describa las propiedades de las ondas de sonido y de las ondas de luz. El énfasis está en el modelo del espectro electromagnético y la diferencia entre las ondas mecánicas y electromagnéticas (8.4). Definición de Ecosistema Consiste de todos los organismos (factores bióticos) interaccionando en un área dada y de todos los componentes físicos y químicos (factores abióticos) de los que dependen. Factores Bióticos Incluye todos los seres vivos y sus interacciones: Interacciones intra-específicas: relaciones entre organismos de la misma especie. Interacciones inter-específicas: relaciones entre organismos de diferentes especies. Factores Abióticos Presentes en los Ecosistemas: Temperatura Agua Luz solar Viento Rocas y suelos (complejidad física, pH, minerales). Bosque Tropical Ecosistema Terrestre El Terrario Como Ecosistema Artificial Dibuje la composición de su terrario. Dibujo # 2 Terrario Identifique factores bióticos y abióticos asociados a su terrario. Terrario Mencione algún tipo de relación interespecífica y/o intraespecífica que esté ocurriendo en su terrario. Dinámica de los Ecosistemas La dinámica de los ecosistemas envuelve dos vertientes claves para entender su funcionamiento: El flujo de energía El reciclaje de la materia. Flujo de Energía en los Ecosistemas: Definición de energía: capacidad para realizar trabajo. Los seres vivos la utilizan para reproducción, desarrollo y para procesos metabólicos que los mantienen vivos. Sin energía, no habría vida. ¿ Cómo Entra la Energía en los Ecosistemas ? La energía entra en la mayoría de los ecosistemas en la forma de fotones de luz solar y es capturada por organismos fotoautótrofos. Fotoautótrofos: organismos que producen su propio alimento (i.e plantas, algas, procariótas fotosintéticos). Los fotoautótrofos transforman la energía del sol en energía química (carbohidratos) vía el proceso de fotosíntesis. La luz solar como fuente de energía: La luz es un tipo de radiación electromagnética. Se compone de “paquetes” de energía llamados fotones. Los fotones tienen asociado una cantidad de energía. Esta energía corresponde a su longitud de onda. La luz es una onda Longitud de onda (λ)= la distancia entre crestas. La longitud de onda determina la cantidad de energía. A menor λ, mayor energía. Espectro Electromagnético: Nos muestra las diferentes radiaciones que recibe nuestro planeta. Las radiaciones con largo de onda corta son muy energéticas, pero dañinas para la mayoría de los seres vivos. Las radiaciones con largo de onda larga no tienen la suficiente energía para impulsar procesos biológicos. Las radiaciones intermedias tienen la energía ideal para procesos biológicos. Espectro Electromagnético 10–5 nm 10–3 nm Gamma rays 103 nm 1 nm X-rays 106 nm Infrared UV 1m (109 nm) Microwaves 103 m Radio waves Visible light 380 450 500 550 600 650 700 750 nm Shorter wavelength Longer wavelength Higher energy Lower energy Ecuación que Resume el Proceso de Fotosíntesis 6 CO2 + 12 H2O + Fotones C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O Photo by Nasim Mansurov (http://photographylife.com Terrario Identifique los organismos autótrofos en su terrario: ¿ Donde ocurre el proceso de fotosíntesis en su terrario ? Fotosíntesis en los Cloroplastos Bio.miami.edu Célula Vegetal Nuclear envelope Nucleolus Chromatin Rough endoplasmic reticulum Smooth endoplasmic reticulum NUCLEUS Ribosomes Central vacuole Golgi apparatus Microfilaments CYTOIntermediate SKELETON filaments Microtubules Mitochondrion Peroxisome Plasma membrane Cell wall Wall of adjacent cell Chloroplast Plasmodesmata Terrario Describa el proceso de fotosíntesis en su terrario, indicando donde están los reactivos y productos de su ecuación. 6 CO2 + 12 H2O + Fotones C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O Dibujo # 2 Flujo de Energía en los Ecosistemas: Una vez incorporada en la planta (enlaces químicos de los carbohidratos), la energía pasa a los organismos consumidores (heterótrofos) en forma de compuestos orgánicos en su alimento. Terrario ¿ Están presentes organismos heterótrofos en su terrario ? ¿ Cuál o cuáles ? Flujo de Energía en los Ecosistemas: En las células de los heterótrofos se transforma la energía de los compuestos orgánicos en energía para llevar a cabo los procesos metabólicos (ATP) mediante el proceso de respiración celular en las mitocondrias. C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + Energía (ATP + calor). Terrario Ilustre el proceso de respiración celular en su terrario. Indique donde están los reactivos y productos de la ecuación. C6H12O6 + 6 O2 calor). 6 CO2 + 6 H2O + Energía (ATP + Flujo de Energía en un Ecosistema “Primera Ley de Termodinámica” Transferencia de Energía Entre los Niveles Tróficos: La transferencia de energía entre los niveles tróficos es usualmente poco eficiente. Nivel trófico: posición que ocupa un organismo en la cadena de alimento en un ecosistema. Se va perdiendo energía a la vez que esta fluyea través de los diferentes niveles tróficos en un ecosistema. Tet.jnlive.mobi Terrario Conteste asumiendo que su terrrarium nunca se abriera. ¿ Cuál sería la fuente de CO2 en su terrario ? Terrario Pregunta de Análisis ¿ Cuál otro ser vivo en su terrario produce CO2 ? Terrario Conteste asumiendo que su terrrarium nunca se abriera. ¿ Cuál sería la fuente de O2 en su terrario ? Terrario Ilustre en su terrario la integración de los procesos de fotosíntesis y respiración celular: Reciclaje de la Materia en los Ecosistemas: La segunda vertiente clave en el funcionamiento de los ecosistemas es el reciclaje de materia o elementos químicos. ¿ Cómo se Mueve la Materia en los Ecosistemas ? Los elementos químicos (i.e. carbono, fósforo y nitrógeno) se mueven de forma cíclica entre los componentes bióticos y abióticos de un ecosistema. En los ecosistemas se puede aplicar la Ley de Conservación de Masa, que postula: “ La materia no se crea ni se destruye, solo se transforma” Pasos del Reciclaje de la Materia en los Ecosistemas: 1- Los organismos fotosintéticos asimilan los elementos en forma inorgánica (i.e. nitratos, fosfatos) del suelo, aire y agua. 2-Procesos metabólicos transforman los elementos inorgánicos en compuestos orgánicos formando las diferentes estructuras de la planta (i.e hojas, tallos, frutos y semillas). Pasos en el Reciclaje de la Materia: 3-Parte de estas estructuras son consumidas por animales herbívoros integrando esta materia orgánica en su cuerpo. 4-Otros animales se alimentan de los herbívoros. 5-Los desechos orgánicos de los animales son convertidos a materia inorgánica vía el proceso de descomposición bacterias y hongos). 6-Los elementos son devueltos en forma inorgánica al aire, suelo y agua para ser reutilizados por los autótrofos. Niveles Tróficos Terrario De ejemplos de compuestos orgánicos en su terrario Membrana plasmática de una célula eucariótica. Fibers of extracellular matrix (ECM) Glycoprotein Carbohydrate Glycolipid EXTRACELLULAR SIDE OF MEMBRANE Cholesterol Microfilaments of cytoskeleton Peripheral proteins Integral protein CYTOPLASMIC SIDE OF MEMBRANE Terrario De ejemplos de compuestos inorgánicos en su terrario Diferencia entre Materia y Energía A diferencia de la materia, la energía no se recicla, por tanto se necesita una fuente de energía constante, en la mayoría de los casos, el sol. Por el otro lado, al reciclarse la materia, se mantiene constante. Fuera de meteoritos ocasionales, la materia que existe en nuestro planeta es prácticamente la misma desde su formación. La Materia se Mueve en los Ecosistemas a través de Ciclos: La mayoría de los componentes químicos en un ser vivo están en un constante intercambio donde se asimilan nuevos nutrientes y se excretan una vez utilizados. Estos procesos pueden ser visualizados en ciclos. Ya que el reciclaje de los nutrientes envuelven componentes bióticos y abióticos, se les conoce como ciclos biogeoquímicos. Ciclo del Agua Transport over land Solar energy Net movement of water vapor by wind Precipitation over ocean Evaporation from ocean Precipitation over land Evapotranspiration from land Percolation through soil Runoff and groundwater Terrario Ilustre como ocurriría el ciclo del agua en su terrario. Terrario Ciclo del Carbono Ciclo del Fósforo Ciclo de Carbono www.biology tutorvista.com Terrario Ilustre como ocurriría el ciclo del fósforo en su terrario. Ciclo de Carbono www.biology tutorvista.com Terrario Ilustre como ocurriría el ciclo del nitrógeno en su terrario. Ciclo del Carbono Ciclo de Carbono www.windows2universe.org Terrario Ilustre como ocurriría el ciclo del carbono en su terrario. Relación del Ciclo del Carbono con el Efecto Invernadero y Calentamiento Global Enfoque Es común confundir el efecto invernadero con el calentamiento global. A pesar de estar relacionados, son dos fenómenos distintos. ¿Qué es el Efecto Invernadero ? Es el fenómeno por el cual ciertos gases en la atmósfera planetaria retienen parte de la energía que el suelo emite al haber sido calentado por la radiación solar. Gases Principales Asociados al Efecto Invernadero Itech.dickinson.edu Efecto Invernadero www.nc-climate.ccsu.edu ¿Qué es el Efecto Invernadero ? El efecto invernadero es el que ha establecido las temperaturas en nuestro planeta desde hace millones de años. Sin el efecto de invernadero, las temperaturas promedios del Planeta serían de -18 a -22 grados centígrados. ¿Qué es el Efecto Invernadero ? A diferencia de la creencia popular, el efecto de invernadero natural no es negativo para los seres vivos en el presente. El efecto Invernadero existe desde mucho antes que la especie humana y fue clave para su evolución. Relación del Efecto Invernadero y Calentamiento Global: Desde el comienzo de la revolución industrial, las concentraciones de CO2 atmosféricos han aumentando debido a la quema de madera y de combustibles fósiles para obtener energía. Crecimiento de la Población Humana www.theoildrum.com Crecimiento de la Población Humana Correlacionado con el Uso de Petróleo combustion 5 CO2 in Atmosphere 720 photosynthesis 120 destruction of vegetation 2 respiration 60 decay 60 Land plants 560 105 diffusion 107 Ocean runoff 0.4 Soils sedimentation 0.1 1500 coal natural gas oil bicarbonate (HCO3–) 38,000 dead organisms and animal waste Efecto Invernadero y Calentamiento Global La quema de combustibles fósiles tiene el efecto de liberar el carbono de moléculas orgánicas (i.e petróleo, carbón, gas natural) que estaban bajo la superficie del Planeta. El carbono liberado reacciona con el oxígeno atmosférico y produce CO2 adicional. C + O2 = CO2 ¿Cuál es el efecto de este CO2 adicional ? Comparación de el Efecto Invernadero Natural y Acelerado www.essentialenergy.com Efecto Invernadero y Calentamiento Global Como resultado, las temperaturas a nivel global han aumentado significativamente en los últimos 150 años. Correlación de Aumento de CO2 con Temperatura Correlación de Aumento de Co2 con Temperatura Efecto Invernadero y Calentamiento Global Se predice que para el final de este siglo, se duplique la cantidad de CO2 y que la temperatura aumente en 2 grados centígrados. Consecuencias del Calentameinto Global Derretimiento de los glaciales y las capas de hielo en el océano. Aumento de los niveles del mar (100 m) causará la inundación de muchas ciudades costeras y podría aumentar la intensidad de los huracanes. Patrones de tiempo más extremos. Cambio en los patrones de precipitación (más sequías e inundaciones). Pérdida o reemplazo de especies en bosques. Disminución de los arrecifes de coral. Expansión de organismos portadores de enfermedades tropicales (malaria). Efecto del Calentamiento Global en el Hielo Polar Derretimiento de Glacial en las Himalayas Comparando el 1932 y 2005 Derretimiento de Glacial en Alaska Comparando el 1891 y 2005 Aumento del Nivel del Mar ngm.nationalgeographic.com Aumento del Nivel del Mar disruptablog.tumblr.com Actividad Establecer como las plantas aminoran la cantidad de CO2 atmosférico vía el proceso de fotosíntesis.
