GUIA TALLER 2 CICLOS BIOGEOQUIMICOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS La energía toma un curso unidireccional a través de un ecosistema pero muchas sustancias circulan a través del sistema. Estas sustancias incluyen agua, nitrógeno, carbono, fósforo, potasio, azufre, magnesio, calcio, sodio, cloro, y también varios otros minerales, como hierro y cobalto, que son requeridos por los sistemas vivos sólo en cantidades muy pequeñas. Los movimientos de sustancias inorgánicas se conocen como ciclos biogeoquímicos porque implican componentes geológicos así como biológicos del ecosistema. Los componentes del entorno geológico son: 1) la atmósfera, constituida fundamentalmente por gases, que incluyen el vapor de agua 2) la litosfera, la corteza sólida de la Tierra 3) la hidrosfera, que comprende los océanos, lagos y ríos, que cubren ¾ partes de la superficie terrestre. Los componentes biológicos de los ciclos biogeoquímicos incluyen los productores , consumidores y degradadores . El papel de cada descomponedor puede ser muy especializado. Como resultado de la actividad metabólica de los descomponedores, de los compuestos orgánicos se liberan sustancias inorgánicas al suelo o al agua. Desde el suelo o el agua, estas sustancias son vueltas a incorporar a los tejidos de los productores primarios, pasan a los consumidores y detritívoros y luego son entregadas a los descomponedores, de los cuales entran nuevamente en las plantas, repitiendo el ciclo. Los ciclos biogeoquímicos que estudiaremos en esta unidad son: el ciclo del agua, el ciclo del nitrógeno, el ciclo del carbono y el ciclo del oxígeno. EL CICLO DEL AGUA vincula la atmósfera, la hidrosfera y la corteza de la Tierra. El agua de la atmósfera se encuentra principalmente en forma de vapor. En tierra, circula tanto por la superficie (arroyos, ríos y lagos) como por los estratos subterráneos (acuíferos). Generalmente, el agua desemboca en el mar. EL CICLO DEL NITRÓGENO. Aunque el reservorio de nitrógeno se encuentra en la atmósfera, donde constituye haste el 78% del aire seco, el movimiento de nitrógeno en el ecosistema es más semejante al de un mineral que al de un gas. Sólo unos pocos microorganismos son capaces de fijar nitrógeno. Este es posiblemente uno de los ciclos más complicados, ya que el N se encuentra en varias formas y porque los organismos son los responsables de las interconversiones. Recuerden que el N es uno de los constituyentes de los aminoácidos y proteínas del cuerpo. Las proteínas constituyen la piel y los músculos, además de otras estructuras del cuerpo. Todas las enzimas son proteínas, responsables de todas las reacciones químicas del cuerpo. Teniendo esto en cuenta, es fácil notar la importancia del N y su ciclo. Es de importancia crítica para todos los organismos. Implica varias etapas: la amonificación degradación de los compuestos orgánicos nitrogenados a amoníaco o ion amonio; la nitrificación, oxidación del amoníaco o el amonio a nitratos que son incorporados por las plantas; y la asimilación, conversión de nitratos a amoníaco y su incorporación a compuestos orgánicos. Los compuestos orgánicos que contienen nitrógeno regresan finalmente al suelo o al agua, completándose el ciclo. El nitrógeno perdido por el ecosistema puede ser restituido por la fijación de nitrógeno, que es la incorporación de nitrógeno elemental a compuestos orgánicos. Como ya se dijo el principal reservorio de nitrógeno es la atmósfera, con 78%. Este nitrógeno gaseoso está compuesto de dos átomos de nitrógeno unidos, el N2 es un gas inerte, y se necesita una gran cantidad de energía para romper esta unión y combinarlo con otros elementos como el carbono y el oxígeno. Esta ruptura puede hacerse por dos mecanismos: las descargas eléctricas y la fijación fotoquímica proveen suficiente energía para romper la unión del nitrógeno y unirse a tres átomos de Oxígeno para formar nitratos (NO3-). Este procedimiento es reproducido en las plantas productoras de fertilizantes. La segunda forma de fijación del nitrógeno es llevada a cabo por bacterias quienes usan enzimas especiales en lugar de la luz solar o las descargas eléctricas. Entre estas bacterias se encuentran las pueden vivir libres en el suelo, aquellas en simbiosis con raíces de ciertas plantas (Leguminosas) y las cianobacterias fotosintéticas (las antiguas "algas verdeazuladas") que viven libres en el agua. Las tres fijan N, tanto como nitratos (NO3-) o como amonio (NH3). Las plantas toman los nitratos y los convierten en aminoácidos, los cuales pasan a los animales que las consumen. Cuando las plantas y animales mueren (o liberan sus desechos) el nitrógeno retorna al suelo. La forma más común en que el nitrógeno regresa al suelo es como amonio. El amonio es tóxico, pero afortunadamente, existen bacterias nitrificantes (Nitrosomonas y Nitrosococcus) que oxidan el amonio a nitritos, con dos oxígenos. Otro tipo de bacteria (Nitrobacter) continúa la oxidación del nitrito (NO2-) a nitrato (NO3-) el cual es absorbido por las plantas que completan el ciclo. Existe un tercer grupo de bacterias desnitrificantes (entre ellas Pseudomonas desnitrificans) que convierten nitritos y nitratos en nitrógeno gaseoso. CICLO DEL CARBONO El carbono, vital para todos los seres vivos, circula de manera continua en el ecosistema terrestre. En la atmósfera existe en forma de dióxido de carbono, que emplean las plantas en la fotosíntesis. Los animales usan el carbono de las plantas y liberan dióxido de carbono, producto del metabolismo. Aunque parte del carbono desaparece de forma temporal del ciclo en forma de carbón, petróleo, combustibles fósiles, gas y depósitos calizos, la respiración y la fotosíntesis mantienen prácticamente estable la cantidad de carbono atmosférico. La industrialización aporta dióxido de carbono adicional al medio ambiente. Desde la perspectiva biológica, los eventos claves aquí son la fotosíntesis y respiración como reacciones complementarias. La respiración toma los carbohidratos y el oxígeno y los combina para producir CO 2, agua y energía. La fotosíntesis toma el CO2, agua y produce carbohidratos y oxígeno. Estas reacciones son complementarias tanto en sus productos como en lo referente a la cantidad de energía utilizada. La fotosíntesis toma la energía del sol y la acumula en las cadenas carbonadas de los carbohidratos; la respiración libera esta energía rompiendo dichas cadenas. Plantas y animales respiran, pero sólo las plantas (y otros productores como las cianobacterias) pueden realizar fotosíntesis. El reservorio principal de CO2 está en los océanos y en las rocas. El CO2 se disuelve rápidamente en el agua. Una vez en el agua, precipita como roca sólida conocida como carbonato de calcio (calcita). El CO2 convertido en carbohidratos en las plantas tiene tres rutas posibles: puede liberarse a la atmósfera con la respiración, puede ser consumido por animales o es parte de la planta hasta que ésta muere. Animales obtienen todo el carbono de su alimento, así que todo el carbono en el sistema biológico proviene al final de los organismos autótrofos. En los animales, el carbono tiene las mismas tres rutas. Cuando las plantas y animales mueren pueden ocurrir dos hechos: la energía contenida en las moléculas es utilizada por los descomponedores (bacterias y hongos del suelo) y el carbono es liberado a la atmósfera en forma de CO2 o puede permanecer intacto y finalmente transformarse en combustibles minerales. Los combustibles fósiles al ser utilizados liberan a la atmósfera CO2. El ser humano ha alterado enormemente este ciclo del carbono, ya que al quemar los combustibles fósiles se han liberado a la atmósfera excesivas cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera. Esta condición es la principal responsable del calentamiento global ya que el CO2 presente en grandes cantidades en la atmósfera impide que el calor del sol escape de la tierra al espacio. EL CICLO DEL OXÍGENO Si observamos nuevamente el ciclo del Carbono, notaremos que también describe el ciclo del Oxígeno, ya que estos átomos están frecuentemente combinados. El Oxígeno está presente en el dióxido de carbono, en los carbohidratos y en el agua, como una molécula con dos átomos de hidrógeno. El oxígeno es liberado a la atmósfera por los autótrofos durante la fotosíntesis y tomado por autótrofos y heterótrofos durante la respiración. De hecho, todo el oxígeno de la atmósfera es biogénico; esto significa que fue liberado desde el agua mediante la fotosíntesis de los organismo autótrofos. Les tomó cerca de 2 mil millones de años a los autótrofos (principalmente cianobacterias) para liberar el 21 % de oxígeno de la atmósfera actual; lo que le abrió la puerta a organismos complejos como los animales multicelulares, que necesitan de grandes cantidades de oxígeno para vivir. TALLER No 3 1. ¿Qué son los ciclos biogeoquímicos? 2. Teniendo en cuenta el siguiente texto elabore el ciclo allí mencionado. “Resultado de la actividad metabólica de los descomponedores, de los compuestos orgánicos se liberan sustancias inorgánicas al suelo o al agua. Desde el suelo o el agua, estas sustancias son vueltas a incorporar a los tejidos de los productores primarios, pasan a los consumidores y detritívoros y luego son entregadas a los descomponedores, de los cuales entran nuevamente en las plantas, repitiendo el ciclo”. 3. Dibujar y explicar el ciclo del agua y del carbono 4. Explique cada una de las siguientes etapas que se dan en el ciclo del nitrógeno: la amonificación, la nitrificación, y la asimilación, 5. Teniendo en cuenta el grafico explique. a. La acción de las bacterias nitrificantes y las desnitrificantes. b. Las dos formas de fijar el nitrógeno al suelo c. Cual es el componente que se encuentra en mayor cantidad en el aire. (Oxígeno, gas carbónico, nitrógeno, vapor de agua) d. Porque las plantas no toman el nitrógeno del aire TALLER 2 LECTOESCRITURA CONTAMINACIÓN DE LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS En los ciclos biogeoquímicos también pueden ser captadas sustancias extrañas que, pasando de un organismo a otro, alcanzan concentraciones elevadas cuando se aproximan a la cima de la cadena alimentaria. El DDT es probablemente la sustancia tóxica más conocida cuyos efectos fueron amplificados de esa manera. En el accidente nuclear de Chernobyl (ocurrido en 1986) fue liberado al ambiente una enorme cantidad de material radiactivo. Aunque las consecuencias de este accidente fueron más graves en las áreas próximas a Chernobyl, traspasaron las fronteras de la ex Unión Soviética, afectando finalmente a unos 100 millones de personas en más de 20 países europeos. La nube radiactiva del accidente se desplazó en dirección noroeste por el viento y, cuando posteriormente llegaron las lluvias, el material radiactivo volvió a caer al suelo. Una parte sustancial de la radiactividad fue depositada en Noruega, un país que no tiene plantas de energía nuclear. Un componente importante de la lluvia radiactiva de Chernobyl fue el cesio 137. A medida que este elemento pasó del agua de lluvia a los líquenes y luego a los renos, su concentración se incrementó a niveles que excedían en mucho a los que se consideraban seguros para el consumo humano. Las concentraciones más elevadas se produjeron en la leche, los músculos y los huesos de los renos, el medio de subsistencia tradicional para los pueblos Sami o Lapones, de Noruega Central y Meridional. Las consecuencias de Chernobyl nos brindan varias lecciones importantes. La primera y más obvia es que la concentración biológica de sustancias es un fenómeno muy real, con consecuencias potencialmente graves, especialmente para los organismos que se encuentran en la cima de la cadena alimentaria, entre los cuales nos incluimos. La segunda lección es que no debemos ser complacientes con las medidas de seguridad relativas al uso de materiales o tecnologías; son posibles tragedias mucho peor que las de Chernobyl. La tercera lección, y tal vez la más importante, es que las consecuencias de nuestros errores no respetan límites internacionales o normativas ambientales locales, independientemente de si fueron bien concebidas o de cuán fielmente se sigan. La humanidad y todos los demás seres vivos estamos interconectados en un único ecosistema global
