CIENCIAS NATURALES I 1° año Secundaria Liliana Mosso Armando Zandanel Fabiana Siciliani Alan Plomer CIENCIAS NATURALES I Liliana Mosso - Armando Zandanel - Fabiana Siciliani - Alan Plomer 1ª edición: febrero de 2013 © 2013 Editorial Maipue Zufriategui 1153 (1714) Ituzaingó, provincia de Buenos Aires Tel./Fax 54-011-4458-0259 Contacto: [email protected] / [email protected] www.maipue.com.ar ISBN: 978-987-9493-90-8 Ilustración de tapa: Cielo para América del Sur, obra de Ernesto Pesce Ilustraciones interiores: Mariana Gabor, María Victoria Feltrez, Federico Iván Torres Diagramación: Paihuen Corrección: María Valle Ciencias naturales 1 / Liliana Elisabet Mosso ... [et.al.] ; ilustrado por María Victoria Feltrez ; Federico Iván Torres ; Mariana Gabor. - 1a ed. - Ituzaingó : Maipue, 2013. 240 p. : il. ; 27x19 cm. ISBN 978-987-9493-90-8 1. Ciencias Naturales. 2. Enseñanza Secundaria. I. Mosso, Liliana Elisabet II. Feltrez, María Victoria, ilus. III. Torres, Federico Iván , ilus. IV. Gabor, Mariana, ilus. CDD 507.12 Fecha de catalogación: 06/02/2013 Queda hecho el depósito que establece la Ley 11.723. Libro de edición argentina. No se permite la reproducción parcial o total, el almacenamiento, el alquiler, la transmisión o la transformación de este libro, en cualquier forma o por otro cualquier medio, sea electrónico o mecánico, mediante fotocopias, digitalización u otros métodos, sin el consentimiento previo y escrito del editor. Su infracción está penada por las leyes 11.723 y 25.446. Impreso en Imprenta Galt S.A./ Galt LLC en el mes de febrero de 2013 Agradecimientos Liliana Mosso A mis hijas Sol y Mavi, y a Federico, que pusieron a mi disposición su creatividad y compromiso para diseñar las imágenes y esquemas de varios capítulos de biología, dándome el placer adicional de trabajar en equipo con mi familia. A mi esposo Pedro y mi hija Rochi, por alentarme para concretar este nuevo proyecto. Agradecimientos de Armando Zandanel A Patricia, Azul y Lautaro por respaldar mi trabajo. Agradecimientos Fabiana Siciliani A la Ing. agrónoma Marcela Sánchez por facilitar fotos de plantas. Agradecimientos de Alan Plomer A mi familia: a mi esposa Ana Paula y a mi hija Alana. También al profesor Armando Zandanel por brindarme esta oportunidad. ÍNDICE Capítulo 1: Los materiales y sus transformaciones .....................................................................9 Los materiales y sus propiedades ...............................................................................................................................9 Un modelo para el átomo...........................................................................................................................................9 La tabla periódica de los elementos .............................................................................................................................. 10 Aprendemos midiendo.............................................................................................................................................11 Es cosa de unidades..........................................................................................................................................................12 La clasificación de los materiales .............................................................................................................................12 Las propiedades de los materiales: intensivas y extensivas . ...............................................................................14 Los buenos conductores...........................................................................................................................................15 Cambia, todo cambia… La materia no es la excepción .........................................................................................15 Las mezclas...................................................................................................................................................................16 Factores que afectan la preparación de soluciones................................................................................................20 Concentración de las soluciones..............................................................................................................................21 El agua. ..........................................................................................................................................................................23 La atmósfera primitiva............................................................................................................................................23 Propiedades del agua..............................................................................................................................................23 Distribución del agua en el planeta........................................................................................................................24 El ciclo hidrológico...................................................................................................................................................25 Usos del agua: industriales, cotidianos, agrícolas.................................................................................................26 Aguas residuales: cuando el agua se contamina...................................................................................................27 El agua potable........................................................................................................................................................27 Disponibilidad del recurso .........................................................................................................................................30 Causas de pérdida de acceso al agua potable.......................................................................................................31 Capítulo 2: “Eppur si muove”... Y sin embargo se mueve ...................................................... 33 Respecto a qué nos movemos ...................................................................................................................................33 Todo es relativo . .................................................................................................................................................... 34 El camino que recorre un cuerpo al moverse........................................................................................................ 35 Las formas que presenta la Luna son una consecuencia de su movimiento........................................................38 Buscando completar las ideas sobre el movimiento...............................................................................................39 Cambiando la velocidad........................................................................................................................................ 40 Caída libre ....................................................................................................................................................................41 Respecto a la rapidez en la caída.......................................................................................................................... 43 Simplemente: el plano inclinado...............................................................................................................................44 Capítulo 3: La energía como capacidad de producir cambios.............................................47 La energía de los cuerpos y sus formas de intercambio.........................................................................................49 Formas de la energía ..................................................................................................................................................50 5 La utilidad de la energía ............................................................................................................................................ 51 Fuentes de Energía . ................................................................................................................................................... 52 Estados de la energía ................................................................................................................................................. 54 Conservación de la energía . ..................................................................................................................................... 57 La rapidez con que se transfiere la energía . .........................................................................................................................58 La degradación de la energía .....................................................................................................................................................58 Ondas y energía. ..............................................................................................................................................................................59 Cómo se origina la luz del Sol. ....................................................................................................................................................60 La energía que llega del Sol y los cambios............................................................................................................... 61 La energía de las tormentas .................................................................................................................................. 63 Preguntas para revisar el capítulo............................................................................................................................ 68 Capítulo 4: Nuestro lugar en el Cosmos............................................................................................ 69 Relato posible de los inicios de nuestro Sistema Solar........................................................................................ 71 Breve presentación de dos sistemas cosmológicos ............................................................................................... 73 Como definen los astrónomos a los “errantes” ..................................................................................................... 76 De como Plutón dejó de clasificarse como planeta.............................................................................................. 78 En la familia Solar hay numerosos satélites . ......................................................................................................... 79 Utilizando la luz para medir distancias ................................................................................................................... 84 Cuestiones para pensar, hacer y ampliar sobre el Sistema Solar . ...................................................................... 86 Las fases de los planetas........................................................................................................................................ 86 Analizando una tabla de datos............................................................................................................................... 86 Planetas inclinados .................................................................................................................................................... 89 Por qué se inclinan los planetas . .......................................................................................................................... 89 La gravedad de los planetas................................................................................................................................... 90 El viaje de los planetas........................................................................................................................................... 90 Describiendo a los planetas y a la Luna . ................................................................................................................ 91 El Sol es una estrella .................................................................................................................................................. 95 La observación del cielo y el movimiento de los astros ........................................................................................ 96 El astro más observado ........................................................................................................................................... 101 En el cielo las estrellas . ........................................................................................................................................... 103 Con las estrellas como guía.................................................................................................................................. 103 El gran ojo de los hombres ...................................................................................................................................... 104 Para seguir trabajando ............................................................................................................................................. 106 Capítulo 5: La vida: unidad y diversidad........................................................................................ 107 Cosas de la vida... .................................................................................................................................................... 107 Ser o no ser... vivo . .................................................................................................................................................. 107 La organización estructural de la vida: ¿de qué y cómo está hecho un ser vivo? ........................................... 108 Composición química de las células . ................................................................................................................. 109 Cuando las células trabajan juntas...................................................................................................................... 109 Diferentes organismos, diferentes niveles de complejidad................................................................................ 111 Las propiedades de la vida ..................................................................................................................................... 112 6 Cambian los individuos, cambian las especies................................................................................................... 112 Nada funciona sin energía ................................................................................................................................... 116 La relación con el medio y el equilibrio interno.................................................................................................. 117 Reconsiderando... ................................................................................................................................................... 118 Capítulo 6: Biodiversidad.......................................................................................................................... 121 La diversidad de la vida: solo se trata de vivir... ................................................................................................. 121 Criterios de clasificación ......................................................................................................................................... 124 Diversidad celular................................................................................................................................................. 125 Diversidad de formas de nutrición ...................................................................................................................... 126 Diversidad de formas de reproducción............................................................................................................... 127 Diversidad de formas de relación con el ambiente............................................................................................. 128 Sistema de clasificación actual............................................................................................................................ 129 ¡A seguir jugando! Para animarse a más... . ........................................................................................................ 131 Capítulo 7: Las plantas como sistemas autótrofos.................................................................. 133 Clasificación de las plantas .................................................................................................................................... 133 Plantas no vasculares o Briofitas......................................................................................................................... 134 ¿Cómo se reproducen las plantas? ......................................................................................................................... 139 ¿Cómo se nutren las plantas? ................................................................................................................................. 142 ¿Respiran las plantas? ............................................................................................................................................. 144 ¿Las plantas reaccionan a los estímulos del ambiente? ..................................................................................... 144 Capítulo 8: Bacterias, hongos y protistas....................................................................................... 149 Las bacterias ............................................................................................................................................................. 149 Clasificación de las bacterias ................................................................................................................................. 150 ¿Cómo se reproducen las bacterias? . .................................................................................................................... 151 ¿Cómo se nutren las bacterias? .............................................................................................................................. 152 ¿Las bacterias reaccionan a los estímulos del ambiente? .................................................................................. 153 Los hongos . ............................................................................................................................................................... 155 Clasificación de los hongos.................................................................................................................................. 155 ¿Cómo se reproducen los hongos?...................................................................................................................... 156 ¿Cómo se nutren los hongos?............................................................................................................................... 156 ¿Los hongos reaccionan a los estímulos del ambiente?..................................................................................... 157 Los hongos se asocian a otros seres vivos........................................................................................................... 157 Los protistas . ............................................................................................................................................................ 160 Protistas fotosintéticos......................................................................................................................................... 160 Protistas heterótrofos........................................................................................................................................... 161 Capítulo 9: Los animales como sistemas heterótrofos por ingestión......................... 165 Los animales ............................................................................................................................................................. 165 Clasificación: grupos más importantes ................................................................................................................ 165 7 Invertebrados ........................................................................................................................................................... 166 Morfología de artrópodos..................................................................................................................................... 172 Vertebrados ............................................................................................................................................................... 175 Características generales..................................................................................................................................... 175 Los sistemas relacionados con la nutrición........................................................................................................ 175 El sistema reproductor......................................................................................................................................... 176 Peces . ................................................................................................................................................................... 176 Anfibios.................................................................................................................................................................. 177 Reptiles ................................................................................................................................................................. 178 Aves . ..................................................................................................................................................................... 179 Mamíferos.............................................................................................................................................................. 183 Capítulo 10: Las relaciones tróficas entre los seres vivos................................................... 189 Eco… ¿qué? ............................................................................................................................................................... 189 El camino de la energía… ........................................................................................................................................ 191 Las poblaciones… .................................................................................................................................................... 193 Las poblaciones interactúan................................................................................................................................ 194 Capítulo 11: El cuerpo humano como sistema........................................................................... 201 Al fin solos...para hablar de nosotros.................................................................................................................. 201 Nuestros sistemas orgánicos................................................................................................................................ 202 Los sistemas por dentro....................................................................................................................................... 205 Función de nutrición ................................................................................................................................................ 205 Alimentos y nutrientes… ¿son lo mismo?........................................................................................................... 205 Proteínas............................................................................................................................................................... 206 Hidratos de carbono............................................................................................................................................. 206 Grasas o lípidos..................................................................................................................................................... 207 Vitaminas .............................................................................................................................................................. 207 Minerales............................................................................................................................................................... 208 ¡A comer! Llegó el momento de decidir…........................................................................................................... 208 ¡Tengo que llegar rápido al cole!.......................................................................................................................... 209 ¿Querés saber cómo te alimentás? ..................................................................................................................... 210 La sangre, un tejido líquido.................................................................................................................................. 218 Función de defensa .................................................................................................................................................. 222 Función de coordinación, control y movimiento ................................................................................................. 224 Una red de “cables” recorre nuestro cuerpo: estructura del sistema nervioso . .............................................. 225 Función de reproducción . ....................................................................................................................................... 227 Ser adolescente: la aventura de crecer ................................................................................................................ 230 “Adolescencia: época de desprenderse, crecer y ser”........................................................................................ 230 Bibliografía.......................................................................................................................................................... 231 CAPÍTULO Los materiales y sus transformaciones 1 Los materiales y sus propiedades Todo aquello que nos rodea, como la suave brisa del aire hasta el animalito que tenemos como mascota, como así también la vestimenta que utilizamos, está compuesto por materia. Estos tres ejemplos a su vez muestran tres áreas de estudio de la ciencia, la que suele fraccionar el mundo y así conformar sistemas materiales para su mejor abordaje y estudio. Pero esta fragmentación no nos debe hacer olvidar que existe una relación entre los distintos sistemas. Veamos un ejemplo. Según la temperatura del aire, utilizaremos distinto tipo de vestimenta, más abrigada en invierno que en verano; lo mismo sucede con el animal que tenemos en casa pues si viven en una zona árida es más probable que tengan como mascota un cabrito que un lindo lorito. En este capítulo analizaremos las propiedades de algunos materiales y cuál es el uso que le damos. Pero primero, si hablamos de materia –y no precisamente la materia del colegio– definamos qué sentido tiene esta simple palabrita: si materia es todo aquello que nos rodea, quiere decir que todo aquello tiene algo en común. Ese “algo en común” lo llamamos masa, es decir que toda la materia tiene masa, ya que está formada en su interior por partículas muy diminutas que los científicos llaman átomos. Entonces el aire, la ropa y la mascota, como todo lo demás, tienen átomos. Muchas veces pensamos que lo que no se ve no existe. En el caso del aire es cierto que no podemos verlo, pero sí vemos sus efectos cuando un fuerte viento nos despeina, o mueve las copas de los árboles, o lo utilizamos para inflar las ruedas de nuestra bicicleta. En este último ejemplo nos damos cuenta que el aire tiene masa y ocupa un lugar en el espacio (el interior de la rueda para este caso); entonces vemos que hay otra propiedad de la materia a la cual se le da el nombre de volumen, que repetimos, es el espacio o lugar que ocupa la materia. Un modelo para el átomo El átomo es la partícula más diminuta e indivisible que podemos encontrar formando parte de la materia. El nombre fue acuñado por Demócrito, filósofo griego presocrático y matemático que vivió entre los siglos V y IV a. C. Su estructura fue un enigma durante largos períodos de la ciencia, siendo un “dolor de cabeza” para muchos científicos, entre los cuales se destacaron: Daltón, Thompson, Rutherford y Bohr. Gracias a estos últimos hoy se sabe que el átomo tiene dos regiones en su interior, una central llamada núcleo y otra periférica denominada niveles energéticos. Ambos sitios no son espacios vacíos, sino que contienen partículas subatómicas. Las más importantes son los protones, neutrones y los electrones. 1 Los materiales y sus transformaciones En el núcleo atómico se encuentran los protones (cargados positivamente) y los neutrones (sin carga, son neutros), mientras que en los niveles de energía girando al compás de las fuerzas electroestáticas se encuentran los electrones (cargados negativamente). De esta manera podemos imaginar que la estructura del átomo funciona (salvando grandes distancias), como lo hace el sistema solar es decir, nuestro Sol sería como el núcleo del átomo, mientras que el resto de los astros (planetas, satélites, asteroides, cometas etc.) serían como los electrones girando en torno al núcleo (el Sol para el sistema solar). Sobre este tema profundizaremos en el capítulo sobre astronomía. En resumen, la materia está formada por átomos, los que se unen mediante enlaces químicos para formar moléculas. Por ejemplo, para el caso del agua, sabemos que su fórmula molecular es H2O, es decir que en su estructura la molécula de agua posee dos átomos de hidrógeno más uno de oxígeno. La tabla periódica de los elementos La tabla periódica es un esquema en donde encontramos los elementos químicos que existen en el Universo, de manera ordenada y clasificados según algunos criterios. Fue propuesta por Dmitri Mendeléyev, quien ordenó los elementos basándose en la variación manual de las propiedades químicas. La forma actual es una versión modificada de la de Mendeléyev; fue diseñada por Alfred Werner. Los elementos se ordenan según la cantidad de protones que el átomo contiene en su núcleo, esta cantidad recibe el nombre de número atómico. Por ejemplo: Hidrógeno: 1 protón Helio: 2 protones Litio: 3 protones Estos son los primeros tres elementos que aparecieron con estabilidad en la formación del Universo. Tabla periódica de los elementos 10 La vida en la tierra está formada por El Universo y el Sistema Solar están compuestos por 60 % hidrógeno 93 % hidrógeno 25 % oxígeno 6 % helio 10 % carbono 0,06 % oxígeno 2 % nitrógeno 0,03 % carbono Con algo de fósforo, azufre y calcio. 0,1 % nitrógeno CAPÍTULO 1 Aprendemos midiendo ¿Cómo sabemos el peso de nuestro cuerpo? ¿Y la masa? ¿O el volumen? Estas son tres características cuantificables de los materiales. Utilizando algunos instrumentos podemos determinarlas numéricamente. Para medir el peso de un objeto, se utilizan los dinamómetros, dispositivo que funciona por un resorte con un extremo libre y una escala graduada. Se coloca el objeto en el extremo libre y así de esta manera cuanto más se estira el resorte, más pesado es el cuerpo. 1 Ahora bien, la masa, puede medirse, con la ayuda de una balanza de platillos o una báscula. En donde se compara la masa que se quiere medir con cuerpos (pesas) de masas ya conocidas. Por último el volumen, como ya se ha mencionado con anterioridad es el lugar o espacio que ocupa un objeto. Para medirlo por ejemplo en los líquidos existen recipientes graduados como muestra la siguiente figura. 11 1 Los materiales y sus transformaciones Es cosa de unidades Para hablar con cierto sentido, se idearon las unidades de medición. Por ejemplo si quiero calcular el peso de un cuerpo, no puedo decir pesa tantos segundos, ya que el segundo es una unidad de tiempo. O si quiero medir la longitud de una mesa, no podemos decir que mide tantos litros. Así de esta manera, si me refiero al peso de mi cuerpo o de cualquier otro material, vamos a estar manejando como unidad legal el kilogramo fuerza. Para la masa, se ideó el kilogramo, y de ahí en más sus diferentes equivalencias, para manejar números acordes al cuerpo. Por ello un anillo, mide gramos, la papa kilos y un camión, toneladas. Por último el volumen puede expresarse en metros cúbicos, centímetros cúbicos, etc. según corresponda al objeto en cuestión. La clasificación de los materiales Hay distintas formas o maneras de ver la agrupación de los materiales, por ejemplo podemos agruparlos según su origen: Materiales orgánicos: objetos que son, o alguna vez fueron, parte de un ser vivo, como por ejemplo una madera, un tomate, un perro etc. Materiales inorgánicos: objetos que no pertenecen al mundo viviente, como por ejemplo el agua, el aire, la sal etc. Según su estado de agregación en: Sólidos: cuerpos con forma y volumen definidos, como un anillo, la ropa, el celular etc. Las fuerzas de atracción predominan sobre las de repulsión, así las moléculas se ordenan unas junto a otras casi sin movimiento, solo tienen una leve vibración pero manteniendo sus lugares. Líquidos: objetos sin forma propia que necesitan estar contenidos en envases; pero sí tienen un volumen definido. Son ejemplos las bebidas gaseosas, un perfume, la mayonesa etc. Las fuerzas de atracción y las de repulsión tienen la misma intensidad, de esta manera las moléculas tienen un movimiento grupal, no actúan de manera independiente. Moléculas de un sólido 12 Moléculas de un líquido Moléculas de un gas Gaseosos: materiales que por su estructura no poseen ni forma ni volumen propios; es el caso del aire que respiramos, el humo de una fogata, el gas de la cocina, entre otros tantos. Las fuerzas de repulsión superan a las de atracción, logrando un movimiento con total libertad. CAPÍTULO Plasma: es un estado fluido similar al estado gaseoso pero en el que determinada porción de sus partículas están cargadas eléctricamente. Es el material más abundante en el Universo, forma todas las estrellas; es el resultado de calentar un gas hasta que la mayor parte de sus partículas esté cargada eléctricamente. El Sol quizás sea el ejemplo de plasma más identificable. Y por último, otra de las tantas maneras de agrupar a la materia es según su naturaleza en: 1 1 Sustancias: materiales que se presentan en una determinada composición sin la necesidad de agruparse con otros. Por ejemplo agua destilada, oro puro, oxígeno, etc. Mezclas: son materiales que resultan de la unión de dos o más cuerpos diferentes (café con leche, vinagre, aire). Estas a su vez pueden ser mezclas homogéneas, cuando sus componentes no se divisan a simple vista, tal es el caso del vinagre que se prepara con la mezcla de agua y acido acético, o por lo contrario heterogéneas, cuando sus componentes pueden identificarse, como en el caso del agua y el aceite. Actividades De la siguiente lista determinen cuáles son materia y cuáles no, e intenten una clasificación con lo que hasta el momento han comprendido. · · · · · agua aire fantasma vaso ventana · · · · nubes pensamiento roca Sol Materia Sustancias puras Elementos químicos Mezclas Compuestos Homogéneas (disoluciones) Heterogéneas 13 1 Los materiales y sus transformaciones Las propiedades de los materiales: intensivas y extensivas Los materiales tienen varias propiedades para analizar, como puede ser su color, olor, textura, dureza, solubilidad, conductividad eléctrica o térmica, densidad etc. Muchas de ellas “cambian” cuando varía su masa. Analicemos la siguiente situación. En el comedor de un hogar hay una madera negra de varios metros de largo; de pronto el dueño decide cortarla para hacer con ella una mesa. Hay características que con ese corte realizado han cambiado, por ejemplo el tamaño, el peso y el volumen. Otras no lo han hecho como el color, la textura y su densidad. Entonces vamos a tener un grupo de características que cambian al cambiar la masa y la cantidad, y otras que permanecen constantes. Propiedades intensivas son aquellas que no cambian a pesar de la modificación de la masa (el color, el olor, el sabor, el brillo). Propiedades extensivas son aquellas que sí cambian con la variación de la masa (el peso, la masa, el largo, el ancho, el volumen). Ahora sabemos que las propiedades se pueden distinguir, vamos a analizar algunas de ellas: Densidad: es la relación que existe entre la cantidad de materia que forma al objeto, es decir su masa y el lugar que ocupa, es decir su volumen. La densidad puede ser calculada con la siguiente expresión de m/v donde “m” es masa y “v” es volumen y es expresada en gramos sobre centímetros cúbicos. Seguramente alguna vez les han preguntado que pesa más, si un kilo de plomo o un kilo de plumas… y en realidad pesan lo mismo, lo que sucede es que si analizan el lugar que ocupa el kilo de plomo con respecto al kilo de plumas se darán cuenta que el plomo ocupa un espacio mucho menor lo que lo hace mas “denso”. Organolépticas: son aquellas propiedades que percibimos mediante los sentidos, es decir, el olor, color y sabor. Punto de fusión: es una temperatura determinada en donde el cuerpo pasa del estado sólido al líquido. Punto de ebullición: es la temperatura en donde el cuerpo pasa del estado líquido al gaseoso. Solubilidad: es la capacidad que tiene un objeto en “mezclarse” con otro o disolverse. De esta manera podemos azucarar la leche del desayuno o merienda, también hacerlo con el agua o bien agregarle sal para la preparación de fideos. Propiedades térmicas y eléctricas: algunos objetos tiene la capacidad de conducir muy bien el calor o la electricidad, los metales son un claro ejemplo de ello. Si el mango de la sartén es de metal, cuando la coloquemos al fuego y querramos tomarla por él sin ninguna protección, nos vamos a quemar; o en el caso de la electricidad que es conducida generalmente por cables de cobre. Propiedades mecánicas: es un conjunto de características de los materiales como la elasticidad (vuelven a su forma original), plasticidad (fragilidad, si se rompen con cierta facilidad), tenacidad (si son resistentes), etc. 14 CAPÍTULO 1 Los buenos conductores Cuando hablamos de los buenos conductores, estamos haciendo referencia a aquellos materiales que son capaces de transferir el calor o la electricidad de un modo rápido y fácil. Por ejemplo los metales. Existe otro grupo de materiales que impiden la transferencia de calor o electricidad, por ello se los denomina aislantes térmicos, o aislantes eléctricos respectivamente. Por ejemplo, los plásticos. A pensar: alguna vez se preguntaron ¿por qué un electricista utiliza guantes de goma? ¿Por qué todas sus herramientas tienen una funda plástica o de goma? ¿O por qué utiliza zapatos con gruesas suelas de goma? La respuesta es sencilla, al utilizar materiales aislantes de la corriente eléctrica, está previniendo cualquier tipo de accidente que pudieran tener al trabajar con algo tan peligroso como es la corriente. Estos materiales impiden que la electricidad ingrese al cuerpo del electricista. 1 Actividad Determinen cuáles son las propiedades que cambian y cuáles no en la siguiente situación: una modista recorta un trozo de tela blanca para confeccionar un vestido. Integren las propiedades en un cuadro. Extensivas Intensivas cambia, todo cambia… La materia no es La excepción Como decía nuestra querida cantora Mercedes Sosa, en la vida diaria, “cambia, todo cambia” y por supuesto que la materia no es ajena a ello. Pensemos por un instante: nuestro propio cuerpo no es ni por asomo parecido al embrión que alguna vez fuimos, tampoco las nubes tienen algún parecido con el agua que contenemos en un vaso… Es decir que vivimos provocando cambios en la materia y otros son propios de la naturaleza. Estos cambios podemos analizarlos como cambios físicos y cambios químicos. Veamos. 15 1 Los materiales y sus transformaciones Los cambios físicos tienen la característica de ser reversibles, es decir, la sustancia no se pierde, vuelve a su forma original o nunca dejó de ser la que era. Por ejemplo, si cortamos una hoja de papel en trozos, obviamente cambia el tamaño del papel pero sigue siendo el mismo material: ¡papel! O el movimiento. Es el cambio de lugar o de posición de un cuerpo. Aunque un cuerpo se mueva, su materia no cambia. Los cambios químicos, por lo contrario, son irreversibles, y para que ello suceda tiene que haber de por medio una reacción química. Si seguimos con el ejemplo del papel, y en este caso en lugar de cortarlo lo encendemos en una fogata, lo que era papel en un principio, deja de serlo para convertirse en humo y cenizas. De estos dos materiales no se puede volver a obtener papel y es por ello que se habla de un cambio irreversible. Todo material que se enciende se dice que es combustible (papel, madera, nafta, gas de cocina etc.) por ello la reacción química que lleva a cabo este proceso se denomina combustión. Actividades 1) Analicen cada una de las situaciones y determinen el tipo de cambio que ocurre. • Cocinar un huevo frito • Teñirse el cabello • Pintarse las uñas • La formación de nubes • Mezclar una tableta efervescente con agua • Oxidación de la bicicleta 2) Realicen una lista con los cambios que tienen lugar en su hogar, y hagan su clasificación. Las meZcLas Las mezclas, como ya dijimos, son ese conjunto de materiales unidos, muchos de los cuales los utilizamos o preparamos en la vida diaria: a la hora de preparar un rico café con leche, una torta, un jugo, una ensalada de frutas etc. En realidad la mayoría de los materiales se encuentran mezclados con otros en la naturaleza. Si pensamos por ejemplo en el oro de un anillo, primero debió ser extraído de una mina en la cual estaba mezclado con otros materiales e impurezas; o el agua del río, que posee infinidades de sustancias y microorganismos en su interior. Podemos afirmar que estamos inmersos en un mundo de mezclas, ¡las cuales muchas veces necesitamos separar! Teniendo en cuenta si los componentes que forman parte de la mezcla son observables o no, vamos a tener dos tipos de mezclas: 1) Sistemas heterogéneos: son aquellos en los cuales se distinguen los componentes, determinando dos o más fases en la mezcla. Veamos algunos ejemplos: 16 CAPÍTULO 1 Limaduras de hierro con arena: dos componentes, las limaduras por un lado y la arena por otro. Dos fases. Agua con hielo: un solo componente el agua, pero dos fases, el agua líquida y el agua sólida (hielo). Agua y aceite: dos componentes, el agua por un lado y el aceite por otro. Dos fases. Se la suele llamar “mezcla grosera” ya que los componentes se distinguen a simple vista; los tres ejemplos dados anteriormente son de este tipo. También existen otras mezclas heterogéneas en las que se necesita observar con mayor atención o con la ayuda de una lupa las sustancias que la integran; así pues tenemos las suspensiones, donde uno de los componentes es sólido o gaseoso repartido dentro de otro que puede ser líquido o gaseoso, como por ejemplo las espumas (aire disperso en un líquido) o el humo (partículas de un sólido, las cenizas, dispersas en un gas). Por otro lado, tenemos las emulsiones en las que dos líquidos se relacionan finamente, como por ejemplo las cremas hidratantes para la piel (agua más colágeno o esencias naturales) o la leche entera (agua más pequeñas porciones de lípidos). 1 2) Sistemas homogéneos: los componentes que forman la mezcla se relacionan a la perfección logrando un solo cuerpo del sistema el cual llamamos fase. Los sistemas homogéneos reciben el nombre de solución para el caso de líquido o gases, y aleación para el caso de sólidos. Ambos están formados por el soluto y el solvente; decimos soluto a la menor porción de sistema y solvente al de mayor porción. Por ejemplo, en la preparación de jugo tenemos al jugo propiamente dicho como soluto y al agua, actuando como solvente. De esta manera, el agua con algo de sal o azúcar, forman una solución acuosa, en donde no distinguimos ni sospechamos de sus componentes hasta que hacemos la prueba de saborearlos (agua dulce y salada respectivamente). También el aire que respiramos constituye una solución en este caso gaseosa, pues el aire está formado por un conjunto de gases como oxígeno, dióxido de carbono y nitrógeno, entre otros. Por último, existen soluciones sólidas (denominadas aleaciones) como puede ser un picaporte o una moneda en donde dos o más metales se funden y luego se entremezclan para dar un nuevo metal. Ahora bien, dijimos que muchas veces somos los que preparamos estas mezclas para un determinado fin, pero hay otras ocasiones en las cuales necesitamos una parte de la mezcla y de esta manera, necesitamos emplear algún método para separarlas. Estudiemos algunos casos. Para los sistemas que se encuentran dentro de la categoría de heterogéneos utilizaremos los métodos de separación de fases: Imantación: se emplea cuando uno de los componentes tiene la propiedad de imantarse y otro no, por ejemplo, en la mezcla de limaduras de hierro y arena, si necesitamos la arena para construir y queremos sacar el hierro que nos resulta molesto, pasamos un imán por sobre la mezcla y las limaduras se adosaran a este dejando la arena pura. Arena y limadura de hierro Limadura de hierro Arena 17 1 Los materiales y sus transformaciones Tamización: se emplea para separar dos sólidos en los cuales la diferencia de tamaño nos permite mediante un tamiz, separar los componentes. Imaginemos que la arena del caso anterior también tiene piedritas molestas, entonces tamizamos la arena que pasará por el tamiz y queden sobre este las piedritas. Filtración: se emplea para separar un sólido no disuelto en un líquido. Muchas veces habrán visto a mamá o la abuela pasar los tallarines por un colador: de esta manera funciona la filtración. Arena y agua Papel filtro Arena Agua Embudo de decantación Decantación: se utiliza para separar dos líquidos insolubles entre sí, como puede ser el agua y el aceite, mediante una ampolla de decantación. El líquido menos denso quedará dentro de la ampolla (aceite) y el otro saldrá por la canilla (agua). Llave 18 CAPÍTULO 1 Para los sistemas homogéneos existen dos métodos de separación: Destilación: la solución se coloca en un destilador (ver la figura). Se calienta hasta que el solvente se evapora y se recoge mediante el tubo refrigerante. Por ejemplo, para el caso del “agua destilada”, se le llama así porque es agua que ha sido sometida a este proceso y de esta manera lo que se obtiene es agua libre de sales y minerales que han quedado en el balón de destilación en forma de cristales. El agua destilada es utilizada en los radiadores de los automóviles, y al carecer de solutos (sales y minerales) este no sufre del “sarro” y se evitan daños al motor. 1 Termómetro Balón Condensador Mechero Agua Soporte universal Cristalización: es similar a la destilación pero a diferencia de esta, el solvente se evapora y se pierde, y queda el soluto como residuo cristalino en el recipiente calentado. Cuando se calienta una solución de agua y sal en un recipiente, se evapora el agua quedando en el fondo del recipiente cristales de sal. 1 de Abril 2011 - 12:00 3 de Abril 2011 - 08:00 4 de Abril 2011 - 09:00 5 de Abril 2011 - 15:00 19 1 Los materiales y sus transformaciones Actividades Clasifiquen las siguientes situaciones de mezclas en heterogéneas u homogéneas. Propongan para cada caso un método para separarlas. • Agua más alcohol • Piedritas más arena • Limaduras de hierro más harina • Granos de café en agua • Agua más azúcar Hagamos la prueba ¿Quieren comprobar? Tomen dos saquitos de té, colóquenlos al mismo tiempo en dos recipientes (tazas comunes), una con agua fría y la otra con agua caliente; registren qué sucede en cada caso. factores que afectan la preparación de soluciones El té helado…. ¿Cómo se prepara? En realidad lo que se conoce como té helado, es una preparación de té en saquito o hebras con agua caliente al que luego se le agrega cubitos de hielo o se lo deja durante un tiempo en el congelador. De otra manera, si queremos preparar té con agua fría, no se disolverá. En este caso podemos afirmar que la temperatura es un factor que determina la posibilidad y rapidez en que ciertos materiales se disuelven o no. Existen otros factores. Seguramente alguna vez te ha quedado algo de azúcar en el fondo del té, y lo que hacemos inmediatamente es revolver con la cuchara, y efectivamente esto da resultado. Es que el movimiento o agitación de las partículas también acelera, en este caso, la solubilidad del azúcar. El tamaño de las partículas a disolver también importa, pues piensa que no es lo mismo tratar de solubilizar granos de sal gruesa que granos de sal fina; el menor tamaño en este caso favorece la formación de la solución. Hay otros factores como la concentración y la presión que también afectan a la solución. 20 CAPÍTULO 1 concentración de las soluciones Seguramente alguna vez han preparado el jugo de su casa, de distintos sabores y marcas; lo que se mantiene es el volumen de preparado, pues la mayoría nos dice “rinde un litro”. ¿Qué sucede si preparamos el sobre de jugo en un vaso de agua? ¿Y si lo hacemos en un envase de cinco litros? Obviamente diremos que al prepararlo en un vaso de agua quedará demasiado puro o fuerte y si observamos bien, parte del jugo ni siquiera se disolverá. En cambio en la otra situación, tendremos un jugo demasiado aguado, casi incoloro. Actividades 1) Elijan la opción correcta. Fundamenten su respuesta. a) El mate es: • una aleación • una mezcla homogénea • una mezcla heterogénea Las tres situaciones nombradas corresponden a la misma solución en donde el jugo en polvo actúa como soluto y el agua como solvente, lo que cambia son sus relaciones de cantidad, es decir sus concentraciones. b) El azúcar es: Así podemos tener tres casos diferentes de soluciones: c) La leche es: Solución diluida para el caso del jugo con cinco litros de agua (a esta preparación se le puede seguir agregando jugo). Solución saturada, es el caso de la preparación correcta de jugo (a esta no le podemos agregar ni jugo ni agua pues perderemos el agradable sabor o la relación adecuada). Solución concentrada es el caso en que se prepara el jugo en un vaso de agua (a esta solo le podemos agregar agua para buscar la relación adecuada entre soluto y solvente). 1 • una sustancia • una mezcla homogénea • una mezcla heterogénea • una solución • una mezcla heterogénea • ninguna de las anteriores 2) Indiquen en cada caso si la afirmación es verdadera o falsa. Justifiquen las respuestas. a) Una misma sustancia puede componer un sistema heterogéneo. b) Una solución es un sistema homogéneo. c) Las aleaciones son siempre sólidas. d) El café con leche es una solución. e) El agua mineral es un sistema heterogéneo. 21 1 Los materiales y sus transformaciones Trabajo de laboratorio La destilación del agua 1) Con ayuda del docente, preparen una solución de agua y dicromato de potasio. 2) Armen el aparato de destilación. 3) Registren en una hoja de campo lo que sucede y anoten todas las preguntas para discutir luego en el aula. Actividades 1) Preparen dos soluciones de agua dulce. • Solución A: 120 ml de agua con 20 g de azúcar. • Solución B: 250 ml de agua con 30g de azúcar. Luego respondan: a) ¿Cuál es el soluto y cuál el solvente? b) Según las concentraciones, ¿qué tipo de soluciones son? c) ¿Cuál es la más concentrada? ¿Cómo se podría diluirla? d) ¿Y cómo se podría concentrar a la solución mas diluida? 2) Integren lo que han aprendido en un esquema o mapa conceptual. 22 CAPÍTULO 1 El agua El agua, esa sustancia tan común de la cual dependemos a diario para sobrevivir, cocinar, higienizarnos viajar y hasta divertirnos. No solo la utilizamos para el consumo y bienestar de nuestro organismo sino además en la preparación de ciertos alimentos, a la hora de bañarnos… también es un medio de viaje para navegantes y un medio de diversión si gustamos de nadar. Ahora bien. ¿Qué es exactamente el agua? Si nos fijamos en su parte química, se define agua como aquella molécula compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. 1 ¿Dónde la encontramos? En realidad la encontramos por doquier… hace medio siglo, Yuri Gagarin (1934 - 1968, cosmonauta soviético, el primer ser humano en viajar al espacio exterior a bordo de la nave Vostok 1) acuñó la expresión “el planeta azul” al observar la Tierra desde el espacio exterior. ¿Por qué? Sin duda notó que en realidad el planeta Tierra es en gran parte agua, ¡70 % agua! Entonces si miramos con atención nos daremos cuenta que el agua nos rodea en cualquier lugar, no solo en ríos y mares, sino también en bebidas, frutas, vapor, glaciares, nubes etc. La atmósfera primitiva Una de las hipótesis mas convincentes sostiene que hace 4.500 millones de años, nuestro planeta tenía temperaturas muy altas, superiores a los 100 grados centígrados (punto de ebullición del agua, es decir a esta temperatura en condiciones normales de presión el agua sufre el pasaje del estado líquido al gaseoso). De esta manera la atmósfera estaba saturada de vapor de agua, sin la existencia de nubes, ya que por las altas temperaturas esta no se condensaba. A medida que la temperatura fue descendiendo por debajo de los 100º C, el vapor de agua comenzó a condensarse y a formar las nubes, dando el inicio a la aparición de lluvia sobre el planeta, formando hace unos 4.000 millones de años los grandes océanos. Propiedades del agua Cuando analizamos las propiedades del agua, debemos aclarar que se tratan de las propiedades de la sustancia agua, y no de las mezclas y o contaminantes que esta puede sufrir. Tensión superficial: este fenómeno es el resultado de las fuerzas de cohesión que ocurren entre las moléculas superficiales del agua. Esta hace que la superficie del agua actúe como una pequeña membrana que puede sostener pequeños objetos o insectos sin romperse. Capilaridad: es la propiedad que presenta el agua gracias a las fuerzas de cohesión y adhesión entre las moléculas que la componen con otros corpúsculos (otros materiales, por ejemplo el vidrio de un capilar o tubo). Debido a ello el agua es capaz de subir por pequeños tubos denominados capilares, contrarrestando la fuerza gravitatoria. Tensión H2 O Hg Capilaridad 23 1 Los materiales y sus transformaciones Densidad (g/cm3) 1,0000 90 80 70 60 0,99950 40 30 20 10 0,99900 90 80 70 0,99860 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Temperatura (°C) Densidad del agua Disolvente Densidad anómala: la mayoría de las sustancias aumentan su densidad a medida que disminuye su temperatura; con el agua ocurre una importante excepción, pues esta tiene su mayor densidad hasta los 4º C. Por debajo de esta temperatura, el agua se expande y su densidad disminuye, de allí que el hielo flote en el agua, fenómeno de real importancia para la vida acuática. Imaginemos que un lago se congela y el hielo se hundiera… la vida acuática no sobreviviría al peso del bloque de hielo. Por el contrario: al flotar, actúa como capa térmica que permite que la vida se desarrolle con total normalidad por debajo del agua. El agua como disolvente. Pensemos en la cantidad de materiales que el agua es capaz de disolver: el azúcar, la sal, el alcohol, el vinagre, el jugo, la leche… y la lista sigue. Se dice muchas veces que el agua es el “solvente universal”, pero no por ser el único, sino porque disuelve varias sustancias y es un solvente económico. En nuestro organismo el agua constituye alrededor del 70 % de nuestro peso, y por sus propiedades se vuelve imprescindible porque disuelve gran cantidad de los solutos necesarios para mantenernos con vida. Nuestro organismo puede estar varios días sin alimentarse, pero no sin consumir agua. La necesitamos diariamente, por ello sentimos como una necesidad imperiosa a la “sed” para compensar la falta de agua que sufre el cuerpo en algún momento. Puntos de fusión y ebullición: el agua tiene un alto punto de ebullición en condiciones normales de presión y temperaturas: 100º C; en cambio posee un bajo punto de fusión: 0º C. Propiedades organolépticas: el agua pura posee tres características únicas, pues es incolora (no posee color, aparenta ser azulada cuando es atravesada por la luz), insípida (no posee sabor) e inodora (no tiene olor). Distribución del agua en el planeta 97 % mares y océanos; 2 % casquetes polares y glaciares; 0,6 % agua subterráneas; 0,3 % en lagos y ríos; 0,1 % en la atmósfera. 24 CAPÍTULO 1 Del total del agua distribuida solo un 3 % es agua dulce y de esta, solo el 0,1 % es apta para su potabilización y posterior consumo. CASQUETES POLARES Y GLACIARES 79 % OCÉANOS 97 % LAGOS 52 % RÍOS 1% AGUA SUBTERRÁNEA 20 % AGUA DULCE 3 % AGUA DULCE SUPERFICIAL DE FÁCIL ACCESO 1% AGUA EN LOS SERES VIVOS 1 % VAPOR DE AGUA ATMOSFÉRICO 8% HUMEDAD DE LOS SUELOS 38 % 1 el ciclo hidrológico El agua que conocemos en realidad no es siempre la misma, sino que se renueva constantemente mediante un motor al cual denominamos comúnmente ciclo del agua; sus fases son: Evaporación y evapotranspiración; el agua pasa de líquido a vapor mediante la energía térmica. Condensación y formación de nubes; las nubes son pequeñísimas gotitas de agua líquida, o hielo, según la temperatura de la nube. Cuando alcanzan un tamaño determinado, la fuerza de gravedad causa su efecto y por ende ocurre la precipitación. Debemos aclarar que las nubes no son vapor, como muchos creen. Precipitación: es la caída de la lluvia que puede se en forma líquida o sólida. Agua contenida en la atmósfera Agua contenida en el hielo y la nieve Condensación Sublimación Precipitación Escurrimiento de agua a ríos Evapotranspiración Escurrimiento de la superficie Evaporación Corriente del arroyo Filtraciones Evaporación a rg sca De ag Agua potable almacenada d e ua su bte Agua contenida en los océanos rrá nea Agua subterránea almacenada El ciclo del agua 25 1 Los materiales y sus transformaciones Estados del agua Sólido ient ti m i di er re Sol Líquido D ión ac no iz ta l i C r is ac li m Su b ió Fu s Su bli m o n fi c ac ió a ó n c ió n inv o e rs a n ó o i c E a b z u i r l l ición Vapo Gas C o n d e n s a c i ó n o Lic u a c ió n Usos del agua: industriales, cotidianos, agrícolas El hombre le ha otorgado al agua múltiples funciones, veamos algunas. Usos cotidianos: ducharse, nutrirse, lavar objetos, refrescar una bebida, practicar deportes (remo, vela, natación etc.). Usos industriales: ablandar materias primas, separar solutos, disolver, preparar masas, enfriar máquinas etc. Usos agrícolas: riego de cultivos, bebederos de animales etc. Distribución del agua según sus usos: 9 % industrial; 16 % doméstico; 75 % agrícola. Industrial 9% Doméstico 16 % Agrícola 75 % 26 CAPÍTULO 1 Aguas residuales: cuando el agua se contamina Es sabido que el agua contaminada puede causar daño a los seres vivos. Por ello es necesario tener cierto control y en caso de incorporarla al organismo, se la debe potabilizar previamente. Ahora bien ¿cuáles son los medios contaminantes del agua? Analicemos algunos. a) Contaminación doméstica: las aguas residuales contienen materia fecal, detergentes y otros disolventes y microorganismos. De esta manera el agua se transforma en un medio de enfermedades como el cólera, la hepatitis, y diferentes parasitosis. 1 b) Contaminación industrial: el agua caliente que sale de las industrias aumenta la temperatura del sitio en donde desemboca afectando a los seres vivos como peces y plantas. El petróleo derramado en el mar, los residuos tóxicos como plomo, arsénico mercurio, cadmio o níquel pueden provocar la muerte al ser ingeridos. c) Contaminación agrícola: el uso de plaguicidas, fertilizantes, pesticidas y hasta el excremento de los animales son infiltrados en las napas subterráneas contaminando y deteriorando la calidad del agua de pozo. El agua potable Es necesario que para el consumo el agua esté en gran medida “limpia” de gérmenes, elementos químicos u otros antígenos patógenos que pueden dañar nuestra salud. La escasez de este vital líquido obliga a reiterar una llamada a la moderación de consumo por parte de la población a nivel mundial, ya que sin su colaboración los esfuerzos técnicos que llevan a cabo algunas organizaciones resultarían insuficientes. De la enorme cantidad de agua disponible en el planeta muy poca es apta para el consumo humano: el 90 % es agua de mar y tiene sal, el 2 % es hielo y está en los polos, y solo el 1 % es dulce y la encontramos en ríos, lagos y mantos subterráneos. Además, el agua tal como se encuentra en la naturaleza, para ser utilizada sin riesgo para el consumo humano, requiere ser tratada y debe ser distribuida a través de tuberías hasta las viviendas, para que pueda ser consumida sin ningún problema ni riesgos. El agua es la sustancia necesaria por excelencia para un desarrollo saludable de los seres vivos. Por ello su calidad es un tema que debe ser de sumo interés para el Estado y la población. Si se le brinda a la población agua de baja calidad, se corre el riesgo de poner en peligro su estado de salud. El agua es vital para la industria en general y particularmente para la alimentaria, tal como la sangre es vital para el organismo humano. En efecto, el agua es empleada: Como ingrediente en la preparación de alimentos. Para limpiar las materias primas, las instalaciones, utensilios, cañerías, etcétera. En las calderas para generar vapor. Para mover turbinas. Para la refrigeración. 27 1 Los materiales y sus transformaciones La provisión de agua incluye como fuentes las aguas superficiales (ríos, lagos) o profundas (surgentes, pozos artesianos). En las primeras, es mayor el riesgo higiénico (amebas, materias orgánicas en descomposición, microorganismos patógenos) y en las profundas, el exceso de sales (accidentalmente, microorganismos por contaminación con aguas de pozos ciegos). La composición y el estado higiénico de las aguas, son problemas para tener muy en cuenta en el caso de la industria alimentaria. Los requisitos varían según el destino: el agua destinada a la preparación de alimentos, como ingrediente y a la limpieza de materias primas deberá satisfacer todos los requisitos del agua potable. El agua para limpieza general de instalaciones debe cumplir con condiciones de salinidad; la destinada a las calderas debe satisfacer requisitos de dureza y agresividad, y la que se usa para enfriar, requisitos higiénicos. Es por esto que el análisis del agua es de vital importancia. Si pensáramos en la calidad del agua, seguramente vendría a nuestra mente la idea de que el agua “ideal” es aquella formada solamente por hidrógeno y oxígeno, es decir aquella que responda a la fórmula: H2O. Sin embargo el agua encontrada en estado natural nunca está en estado puro, sino que presenta sustancias disueltas y en suspensión. Estas sustancias pueden limitar, de modo igualmente natural, el tipo de usos del agua. En la naturaleza, el agua adquiere una variedad de constituyentes orgánicos e inorgánicos: Inorgánicos: son aportados mediante el contacto con el ambiente es decir, el contacto con la atmósfera (gases), el contacto con la tierra (minerales), y el contacto con ambientes contaminados por el hombre. La lluvia disuelve los gases presentes en la atmósfera entre ellos: nitrógeno, oxigeno, dióxido de carbono y dióxido de azufre. En su circulación por encima y a través de la corteza terrestre, el agua reacciona con los minerales del suelo y de las rocas, lo que le aporta principalmente sulfatos, cloruros, bicarbonatos de sodio y potasio, y óxidos de calcio y magnesio. Las actividades humanas aportan una variada gama de componentes inorgánicos, que llegan a los cuerpos de agua por escurrimientos o por vertidos directos. Orgánicos: son aportados por escurrimientos que han estado en contacto con vegetación decadente, con excremento de animales o con desechos de la vida acuática. La actividad humana también aporta elementos orgánicos al agua natural ya sea por escurrimiento o por vertidos directos. La calidad del agua no es un criterio completamente objetivo, pero está socialmente definido y depende del uso que se le piense dar al líquido, por lo que cada uso requiere un determinado estándar de calidad. Por esta razón, para evaluar la calidad del agua se debe ubicar en el contexto del uso probable que tendrá. Así por ejemplo, el estándar de calidad para el agua apta para consumo humano. Por eso podríamos definir a la calidad del agua, como un estado de esta, caracterizado por su composición físico-química y biológica, en que resulta inocua para la vida, dependiendo de su utilidad biológica. El agua para consumo humano es el agua que puede ser consumida sin restricción. El término se aplica al agua que cumple con las normas de calidad promulgadas por las autoridades locales e internacionales. En la Unión Europea la normativa 98/83/EU establece valores máximos y mínimos para el contenido en minerales, como por ejemplo: cloruros, nitratos, nitritos, amonio, calcio, magnesio, fosfato, arsénico, entre otros. Además de los gérmenes patógenos. El pH (escala que mide la acidez o alcalinadad 28 CAPÍTULO 1 de una disolución) del agua potable debe estar entre 6,5 y 8,5. Los controles sobre el agua potable suelen ser más severos que los controles aplicados sobre las aguas minerales embotelladas. En zonas con intensivo uso agrícola es cada vez más difícil encontrar pozos cuya agua se ajuste a las exigencias de las normas. Especialmente los valores de nitratos y nitritos, además de las concentraciones de los compuestos fitosanitarios, superan a menudo el umbral de lo permitido. La razón suele ser el uso masivo de abonos minerales o la filtración de pesticidas. El nitrógeno aplicado de esta manera, que no es asimilado por las plantas es transformado por los microorganismos del suelo en nitrato y luego arrastrado por el agua de lluvia al nivel freático. También ponen en peligro el suministro de agua potable otros contaminantes medioambientales como el derrame de derivados del petróleo, lixiviados (partículas que han quedado disueltas luego de ser transportadas por el agua de escorrentía) de minas, etc. 1 Las causas de la no potabilidad del agua son: bacterias, virus; minerales (en formas de partículas o disueltos); productos tóxicos; depósitos o partículas en suspensión. El proceso de potabilización consta de cinco pasos: 1) La captación del agua, ya sea de napas, ríos o mares con el uso de bombas. 2) Agregado de sustancias químicas para que el limo (material sólido, con una granulometría entre la arena y la arcilla) contenido se coagule y quede en el fondo de los piletones donde se encuentra almacenada. 3) Agregado de cal para neutralizar el pH del agua (el pH debe ser cercano a 7). 4) Filtración: el agua pasa por distintos filtros de distintos tamaños para que las partículas queden retenidas allí. 5) La cloración. Se le agrega cloro para eliminar ciertos microorganismos nocivos para la vida humana. Planta potabilizadora 29 1 Los materiales y sus transformaciones Sugerencias Sugerencias de páginas web y simuladores para seguir aprendiendo… phet.colorado.edu/en/simulations www.aysa.com.ar www.ecojoven.com/tres/05/aguas. html Disponibilidad del recurso El agua dulce es un recurso finito, vital para el ser humano y esencial para el desarrollo social y económico. Sin embargo, a pesar de su importancia evidente para la vida del hombre, recién en las últimas décadas se empezó a tomar conciencia pública de su escasez y el riesgo cierto de una disminución global de las fuentes de agua dulce. La superficie de agua sobre el planeta supera abundantemente a la continental y más del 70 % corresponde a mares y océanos, pero esta abundancia es relativa. El 97,5 % del total existente en el planeta es agua salada, mientras que solo el 2,5 % restante es agua dulce. Aguas 1.975 % 97.50% 0.500 % 0.025 % Agua salada Agua dulce hielos Agua dulce profunda Agua dulce superficial Del porcentaje total de agua dulce casi el 79 % se encuentra en forma de hielo permanente en los hielos polares y glaciares, por lo tanto no está disponible para su uso. Del agua dulce en estado líquido, el 20 % se encuentra en acuíferos de difícil acceso por el nivel de profundidad en el que se hallan (algunos casos superan los 2.000 metros bajo el nivel del mar). Solo el 1 % restante es agua dulce superficial de fácil acceso. Esto representa el 0,025 % del agua del planeta. La renovación de las fuentes de agua dulce depende del proceso de evaporación y precipitación. El 80 % de la evaporación global depende de los océanos y solo el 20 % de las precipitaciones terminan en las zonas terrestres, alimentando lagos, ríos, y aguas subterráneas poco profundas, donde la renovación se da por infiltración (1). Si bien el volumen de agua no ha cambiado en los últimos 30 mil años, estos recursos no son inagotables, ya que han sufrido un deterioro importante en la calidad, debido al crecimiento de la población y sus actividades relacionadas. (1) ”Informe GEO America Latina y el Caribe” Perspectiva del Medio Ambiente 2003, Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), Costa Rica, octubre 2003. 30 CAPÍTULO 1 Causas de pérdida de acceso al agua potable Según la evaluación realizada por el proyecto GIWA (The GIWA Final Report “Challeges to International Waters”, GIWA (Global International Waters Assessment), la presión de las actividades humanas a escala global está deteriorando la capacidad de los ecosistemas acuáticos para cumplir con sus funciones esenciales, lo que perjudica la calidad de vida y el desarrollo social. Básicamente esas intervenciones humanas se dan a través del sobreuso del recurso, la contaminación, la sobrepesca y la modificación de los hábitat acuáticos. El cambio climático aparece como un quinto componente que exacerba a los otros cuatro. De acuerdo a la evaluación del proyecto GIWA, enfrentamos una crisis de proporciones globales en cuanto a la accesibilidad al agua potable para el 2020. 1 A inicios del siglo pasado la población mundial rondaba los 1.600 millones, mientras la actividad industrial tenía un crecimiento moderado, generando pocos desechos industriales y la actividad agropecuaria era libre de fertilizantes y plaguicidas. A comienzos de este siglo, la población global aumentó a más de 6.000 millones de personas, la industria ha tenido un crecimiento exponencial al igual que los vertidos industriales, y la expansión y desarrollo de la agricultura se ha basado fuertemente en el uso de fertilizantes y otros productos químicos. Las grandes urbes junto al desarrollo industrial y a los cambios en las técnicas agrícolas, han generado una enorme cantidad de sustancias contaminantes, que afectan los cuerpos de agua debido a la contaminación con la consecuente pérdida de la capacidad de los cuerpos de agua superficiales para sostener su biodiversidad original. Por otro lado, y dada la triplicación en la demanda de agua en los últimos 50 años, la construcción de represas hidroeléctricas y el desvío de caudales importantes hacia regadíos, están afectando seriamente a los ecosistemas fluviales y generando nuevos conflictos entre las poblaciones ribereñas. El número de grandes represas (de más de 15 metros) se ha incrementado rápidamente en todo el mundo, pasando de aproximadamente unas 5.000 en el año 1950, a casi 45.000 actualmente (2). Por otro lado, en la mayoría de las regiones, el problema no es la falta de agua dulce, sino la mala distribución del recurso. La mayor parte del agua dulce se utiliza para la agricultura con ineficientes sistemas de riego. A nivel mundial se está dando un incremento sostenido en la demanda de productos agrícolas con alto consumo de agua. (2) Sommer Marcos, “Agua, despilfarro, escasez y contaminación” en Ecoportal.net Usos del recurso hídrico por sectores (%) 1999 Residencial Industrial Agrícola Argentina País 9 18 73 Bolivia 10 5 85 Brasil 22 19 59 Paraguay 15 7 78 Uruguay 6 3 91 Fuente: “El cambio climático en la cuenca del plata”, Barros, V.; Robin, C; Silva Dias, P. 31 1 Los materiales y sus transformaciones Si toda el agua del planeta se colocase en un balde, solo una pequeña cucharita de té sería la cantidad de agua potable Fuente: Greenpeace 32 CAPÍTULO 2 “Eppur si muove”...Y sin embargo se mueve La frase puesta en boca de Galileo Galilei el 21 de junio de 1633, se refería a que nuestro planeta se mueve, pero ¿qué cosas se mueven?... fácil, ¡todas!... Ustedes creen estar en reposo pero mientras leen estas líneas, la Tierra gira sobre sí misma con una rapidez de más de 1.600 km/h, mientras se traslada en torno al Sol a unos 107.500 km/h . Pero, más interesante aún: nuestro Sistema Solar en su conjunto se desplaza en dirección de la estrella Vega de la constelación de la Lyra, a 72.000 km/h mientras rota en torno al centro galáctico a 792.000 km/h. Es fácil dar ejemplos de movimientos: un automóvil que viaja por ruta 2 desde Buenos Aires a Mar del Plata; una hoja que cae de un árbol al suelo; la pelota que un jugador de básquet lanza hacia el aro; el jamaiquino Usain Bolt en la carrera de 100 metros llanos durante los Juegos Olímpicos; el ir y venir de la aguja de una máquina de coser; un electrón vibrando entorno al núcleo... pero ¿qué es el movimiento? Vocabulario Movimiento: cambio de posición de un cuerpo con respecto a otro cuerpo (donde se sitúa un observador y al que consideramos fijo), durante un espacio de tiempo. En esta definición hay tres ideas básicas a tener en cuenta: el cambio, la posición y el tiempo. Respecto a qué nos movemos Una persona que viaja en un automóvil se mueve respecto a la calle con la misma rapidez y velocidad que el automóvil; sin embargo, respecto a otra persona que viaja a su lado, o a un bolso ubicado sobre el asiento, no se mueve. Hemos planteado que en el Universo todo se mueve, pero nos está faltando algo para poder describir el movimiento: una referencia “fija”. Pensemos una situación: elijan qué considerar en reposo; digamos por ejemplo, su casa: ella será el sistema de referencia. Luego analicen cómo cambia la posición del móvil (ustedes al ir a la escuela se alejan y al regresar, se acercan) con respecto al sistema de referencia (la casa). De esta manera, su cama está en reposo con relación a las paredes de la habitación, pero está en movimiento si tomamos la Luna como sistema de referencia. 2 “Eppur si muove”...Y sin embargo se mueve Vocabulario Sistema de referencia: es un conjunto de convenciones usadas por un observador para poder determinar la posición, y otras magnitudes físicas (velocidad, aceleración) de un objeto en el tiempo y el espacio. Si tomamos nuestro planeta como sistema de referencia, nuestra percepción nos indica que es el Sol el que se mueve de este a oeste. Así surgió el primer modelo planetario de Ptolomeo, el modelo geocéntrico. Si utilizamos al Sol como referencia fija, entonces es la Tierra la que se mueve. Así imaginó el sistema planetario Nicolás Copérnico, al plantear el modelo heliocéntrico (ver este tema desarrollado en el capítulo 4). Todo es relativo La apariencia de un movimiento depende del lugar de observación, concretamente, de la posición y el estado de movimiento del observador. El descenso de una hoja que cae de un árbol es distinto si es visto por una persona situada debajo del árbol que el de otra que lo observa desde un vehículo en marcha. La relatividad es un concepto muy utilizado cuando se intenta describir un movimiento. Fue Galileo Galilei el que planteó por primera vez que para estudiar un movimiento es preciso fijar previamente la posición del observador que contempla dicho movimiento. Una de las cuestiones que se planteó fue: ¿podemos apreciar el movimiento de un barco si estamos dentro de él? Si dejamos caer un objeto desde la parte superior del mástil de un barco, ¿caería a los pies de este o en un lugar distinto? La trayectoria de la piedra, vista en el sistema de referencia que es el barco, es una línea recta vertical. En cambio, para quien observa desde la costa, la trayectoria es una parábola. Las dos descripciones corresponden a un mismo fenómeno físico y son perfectamente compatibles entre sí: un observador en tierra firme ve una piedra que se arroja con una velocidad horizontal (velocidad del barco) y ve la piedra caer siempre pegada al mástil, que se mueve con la misma velocidad; un observador en el barco ve simplemente una caída vertical. Tanto la costa como el barco son sistemas de referencia posibles, y es solo una cuestión de conveniencia elegir el más apropiado. 34 CAPÍTULO 2 El camino que recorre un cuerpo al moverse ¿Cómo describirías el movimiento de la Luna? ¿Qué pensaban los hombres y mujeres acerca del movimiento del Sol antes del siglo XVI? ¿Es vertical y hacia abajo el movimiento de un objeto al caer? La referencia más inmediata de un movimiento es la forma del camino que describe, pero hay que precisar un poco más para acercarse al concepto que ahora se presenta: la trayectoria. Las posiciones sucesivas que va ocupando el móvil con el transcurso del tiempo pueden adoptar diversas formas y nos sirven para clasificar al movimiento: rectilíneo, circular, elíptico, parabólico, etc. La estela que deja en el cielo un avión a reacción o las vías del ferrocarril son representaciones aproximadas de esa línea imaginaria que se denomina trayectoria. Vocabulario 2 Llamamos trayectoria al camino recorrido por un móvil al desplazarse, respecto de un sistema de referencia. La trayectoria cambia según el sistema de referencia, por ejemplo la Luna describe en torno a la Tierra es una elipse muy cercana a la circunferencia, siempre y cuando se observe su movimiento desde la Tierra. Si trasladamos el sistema de referencia al Sol, ese mismo movimiento se convierte en una epicicloide. Luz solar Órbita lunar PLENILUNIO Órbita terrestre 35 2 “Eppur si muove”...Y sin embargo se mueve Según su trayectoria los movimientos pueden ser: rectilíneos, curvilíneos (circular, parabólico, elíptico, etc.) o al azar. Movimiento rectilíneo: luz laser o sable laser, caminata en cinta. Movimiento elíptico: máquina de gimnasio, el movimiento de la Luna visto desde la Tierra Movimiento parabólico: chorro de agua, clavado Movimiento circular: calesita, lanzamiento de martillo Movimiento al azar: tiburón, mosca 36 CAPÍTULO Llamaremos distancia a cuánto espacio recorre un objeto durante su movimiento midiéndolo sobre la trayectoria. Y desplazamiento, a la longitud del segmento recto que une los puntos inicial y final de esa trayectoria. El desplazamiento se refiere a la distancia y la dirección de la posición final respecto a la posición inicial de un objeto. Pueden notar en la imagen que un mismo desplazamiento puede responder a diferentes distancias recorridas. ¿Podrían dar un ejemplo de un movimiento con distancia recorrida no nula y cuyo desplazamiento valga cero? La distancia y el desplazamiento coinciden solo en un caso, cuando el movimiento tiene una trayectoria recta. Supongamos que en el tiempo t, el móvil se encuentra en posición x; más tarde, en el instante t’ el móvil se encontrará en la posición x’. Decimos que móvil se ha desplazado ∆x = x’ – x en el intervalo de tiempo ∆t = t’ – t, medido desde el instante t al instante t’. La letra griega ∆ (delta) se utiliza para indicar variación: por ejemplo ∆x variación de la posición, ∆v variación de la velocidad, ∆E variación de la energía. Actividades 2 Inicio Distancia Desplazamiento Distancia 2 Final Vocabulario Una magnitud física es una propiedad o cualidad de un sistema que se puede medir. Y medir, es comparar la cantidad desconocida que queremos determinar y una cantidad conocida de la misma magnitud, que elegimos como unidad. Cada una de estas tiene un valor establecido dentro del Sistema Internacional de Unidades, y es el mismo para todo el mundo. La distancia y el desplazamiento, se miden en unidades de longitud, por ejemplo metros o kilómetros. 1) Analicen el movimiento de una pelota lanzada al aro por Emanuel Ginóbili o de un tiro libre ejecutado por Lionel Messi. ¿Coinciden en cada caso la distancia recorrida con el desplazamiento? ¿Qué trayectoria le asignarían a la pelota en cada caso? 2) Imaginen una mosca parada en el extremo de la aguja más larga de un reloj (el minutero) y que camina lentamente hacia el centro. ¿Cuál es la trayectoria de la mosca respecto a la aguja? ¿cuál es la trayectoria que vería alguien que contempla el reloj por un rato? Pueden ampliar visitando la página: http://www. educaplus.org/movi/2_4distancia.html 37 2 “Eppur si muove”...Y sin embargo se mueve Las formas que presenta la Luna son una consecuencia de su movimiento Desde la Tierra vemos que la Luna nos presenta una apariencia cambiante con el paso del tiempo: es el fenómeno de las fases. La posición relativa del Sol, la Tierra y la Luna en cada momento da como resultado cómo vemos a esta última. Lo que vemos depende del lugar en el que estemos ubicados al observarlo: parados sobre la Tierra, viendo una parte de la Luna iluminada por el Sol (la zona de día en la Luna), y otra parte que no está iluminada por el Sol (la zona de noche en la Luna). Desplazándose la Luna en torno a la Tierra en sentido horario podrá apreciarse como crece la parte iluminada de la Luna. Al llegar a la cuadratura (Sol, Tierra y Luna forman un ángulo de 90º) desde la Tierra se ve mitad del día y mitad de la noche lunar. La zona iluminada va aumentando hasta que al alinearse Sol - Tierra - Luna, la Luna se ve completamente iluminada. Será el plenilunio o Luna llena. En la siguiente media vuelta la zona iluminada decrecerá permitiendo ver las fases gibosa decreciente, cuarto decreciente y lúnula decreciente (o menguante). Cuarto menguante Fases de la luna Luna nueva Luna llena LUZ SOLAR Cuarto creciente Las formas aparentes que nos presenta la Luna cambian al cambiar de hemisferio. Para los que vivimos en el sur, la forma es de C cuando crece y de D cuando decrece; en cambio a quienes viven en el hemisferio norte, la Luna les miente: tiene forma de D cuando crece y de C cuando decrece. Sugiero que utilicen la luz de un proyector o de una poderosa linterna para representar la luz del Sol y con una esfera de telgopor clavada en un alambre modelen la Luna. Si quien tiene el modelo de la Luna extiende sus brazos sosteniendo el alambre de modo que la esfera quede por encima de su cabeza y enfrentando la luz, un lento giro en el sentido de las agujas del reloj le mostrará la secuencia a la que llamamos fases. 38 CAPÍTULO 2 La Luna se traslada en una órbita elíptica alrededor de la Tierra, si el sistema de referencia utilizado son las estrellas, la Luna cumple un giro alrededor de la Tierra en 27 días, 7 horas, 43 minutos y 11 segundos: este intervalo de tiempo se llama “mes sidéreo”. Si en cambio el referencial elegido es el Sol, como la Tierra se mueve en torno al Sol a la posición inicial relativa a las estrellas, la Luna tarda un poco más de tiempo. De luna nueva a luna nueva hay 29 días, 12 horas y 44 minutos: este periodo se llama “mes sinódico” o “lunación”. 2 La órbita de la luna, es decir, los lugares que ocupa en su traslación (trayectoria), tienen un punto de mínima distancia a la Tierra, llamado “perigeo” y un punto de máxima distancia, el “apogeo”. En el perigeo la distancia que separa la Tierra de la Luna es de 356.410 km, mientras que en el apogeo la distancia aumenta a 406.740 km. A estos puntos extremos de la órbita se los llama “ápsides”. Buscando completar las ideas sobre el movimiento Nos hemos planteado qué se mueve y qué forma tiene el camino que recorre, pero no bastan las respuestas que hemos encontrado para describir el movimiento. Al definirlo como un cambio de posición a través del tiempo, deberíamos saber el ritmo de ese cambio. A esta característica la llamamos rapidez y nos permite describir el movimiento como lento o rápido. La rapidez es una magnitud escalar que relaciona la distancia recorrida con el tiempo. Las magnitudes escalares tienen únicamente como variable a un número que representa una determinada cantidad. Por ejemplo, la masa o el volumen de un cuerpo. Si a la cantidad, le incorporamos dirección y el sentido, disponemos de la magnitud que mejor describe un movimiento: la velocidad. Se la representa con una flecha (a la que se llama vector) en el que la dirección es la recta que la contiene, y el sentido viene indicado por la punta de la flecha (orientación). De este modo definimos a la velocidad como una magnitud vectorial que relaciona el cambio de posición (o desplazamiento) con el tiempo. Por ejemplo el viento que viene del sur, tiene la misma dirección que el que vienen del norte, pero tienen sentido contrario (el sentido indica la procedencia y con ella las propiedades del aire como la temperatura, la humedad, etc.). Vocabulario Escalar: es una magnitud que no depende de la dirección y el sentido; y la cantidad se representa solo con un número. Vector: es un segmento orientado, una forma de representar una magnitud en la que importa la dirección y el sentido. 39 2 “Eppur si muove”...Y sin embargo se mueve Si en el instante t, el móvil se encuentra en posición x, y en el instante t’ el móvil se encontrara en la posición x’. Su velocidad será v = x’ – x / t’ – t La unidad legal para medir la velocidad es el metro por segundo cuya abreviatura es m/s; aunque es frecuente el uso del kilómetro por hora que se abrevia km/h. El animal terrestre más veloz es la Chita o Guepardo que alcanza una velocidad de entre 95 y 115 km/h en carreras cortas de un máximo de 400 a 500 metros. Cambiando la velocidad ¿Qué tiene que ocurrir para poner en movimiento un objeto? ¿y para detenerlo? El valor de la velocidad de un móvil se modifica por la acción de la aceleración, la que depende de las interacciones que otros cuerpos ejerzan sobre él. Fíjense que hay un pedal en los automóviles al que se llama acelerador. La magnitud que describe como cambia la velocidad respecto del tiempo se llama aceleración. Se representa con un vector. La aceleración puede ser positiva o negativa: si es positiva el móvil aumenta la velocidad. Si es negativa, disminuye su velocidad. A este movimiento se le denomina movimiento retardado. Siempre que un objeto cambia su velocidad en términos de su rapidez o dirección, decimos que está acelerando. Si en un velódromo un ciclista mantiene el velocímetro, digamos que en 20 km/h, se estaría moviendo con rapidez constante; pero su velocidad no lo sería, ya que la dirección del movimiento cambia permanentemente. La relación matemática que responde a la definición de aceleración, para un intervalo de tiempo donde es constante o bien se trata de determinar una aceleración media es: a= ∆V ∆t = Vf - Vi tf - ti Donde Vf es la velocidad final, Vi es la velocidad inicial y tf y ti los tiempos final e inicial respectivamente. Como la aceleración describe los cambios en la velocidad a través del tiempo, su unidad es una unidad derivada que se obtiene al dividir una unidad de velocidad por una de tiempo: m/s cada segundo, que de manera abreviada se escribe m/s2. Por ejemplo, que la aceleración valga 1 m/s2 significa que si partimos de 0, la velocidad aumenta en el primer segundo a 1 m/s, en el segundo a 2 m/s, en el tercero a 3 m/s y así sucesivamente. O bien, si llevamos una velocidad de 5 m/s, en el primer segundo la velocidad será de 4 m/s, en el segundo de 3 m/s y así sucesivamente. Pueden solamente percibir el movimiento si cambian la velocidad del vehículo en el que se mueven. Por ejemplo, si están en un auto que se está moviendo a velocidad constante sobre una superficie suave, no sentirán que se estás moviendo. Sin embargo si el auto frena bruscamente o bien necesita aumentar la velocidad para adelantar a otro vehículo, sentirán el movimiento. Las velocidades de 40 CAPÍTULO 2 rotación y de traslación de la Tierra permanecen casi iguales con el paso del tiempo, de modo que no percibimos ninguna aceleración o desaceleración y por este motivo hemos pensado que la Tierra está inmóvil y son el resto de los astros los que se mueven. Los movimientos en general son variados y compuestos, sugiero ingresen a la página http://www. educaplus.org/movi/4_1rio.html e intenten cruzar el río Movimiento 2 Implica Trayectoria A lo largo de una Respecto de un Cambio de posición Sistema de referencia Se mide como Se mide como Distancia Desplazamiento No considera Es la Considera Es la Diferencia Longitud Dirección De un Entre Posiciones Recorrido Respecto del Respecto del Respecto del Tiempo e la ó lm Es e Velocidad od dul Rapidez Aceleración Implica Cambio de velocidad Caída libre Se llama caída libre al movimiento debido únicamente a la acción de la gravedad. ¿Qué se puede decir, partiendo de las observaciones y las experiencias cotidianas, sobre este movimiento? Es acelerado, pues la velocidad de caída no es constante, sino que aumenta a lo largo del recorrido. Este cambio en la velocidad por unidad de tiempo es tan importante en la física que recibe el nombre especial de aceleración de la gravedad. 41 2 “Eppur si muove”...Y sin embargo se mueve Lectura Un experimento con historia El gran filósofo griego Aristóteles sostenía que una piedra de 2 kg caería dos veces más rápido que una de 1 kg. Dos mil años después, esta afirmación de Aristóteles fue rebatida por Galileo Galilei quien describió el siguiente experimento: si se deja caer al mismo tiempo desde una elevación de 200 codos (un codo equivale a 42 cm, aproximadamente) dos bolas, una de madera y otra de plomo (diez veces más pesada que la de madera), llegan a tierra al mismo tiempo. ¿Quién tiene la razón: Galileo o Aristóteles? ¿Cómo harían para verificarlo? Mucho se ha discutido si Galileo Galilei realizó o no la experiencia de la torre de Pisa, de todos modos vale la pena que ingresen en la página: http://www.planetseed.com/uploadedFiles/Science/Laboratory/Air_and_Space/Galileo_Drops_the_Ball/anim/en/index.html? width=530&height=635&popup=true y la hagan Ustedes mismos La trayectoria de un cuerpo en caída libre (dentro de un campo gravitatorio) provee un dato concluyente para deducir el sentido del peso: es vertical y descendente; decimos que “abajo” es la posición hacia donde caen los cuerpos. Hay un “arriba” y un “abajo” para cada lugar y en cada caso un valor de aceleración gravitatoria. Solemos aceptar 9,81 m/s2 como promedio. Todo objeto que está afectado por la gravitación y si esta apoyado o suspendido pesa, y si no lo está cae, es decir que la caída es el estado normal del movimiento de un objeto en el espacio bajo la influencia gravitatoria de un cuerpo central. Según esto último la Tierra se encuentra en caída libre alrededor del Sol, mientras que un satélite artificial más allá de la atmósfera está en caída libre alrededor de la Tierra. En tanto una nave espacial tripulada se encuentre en caída libre, un astronauta no tendrá “peso” aparente y experimentará el fenómeno de ingravidez. Considerando que la distancia desde la que cae un cuerpo comúnmente recibe el nombre de altura (h), tendremos: h = 1/2 gt2 Esta expresión corresponde a la Ley de la Caída de los Cuerpos. Tengamos en cuenta que la caída libre por definición tiene velocidad inicial “0”. Sugerencias Sugerencias para profundizar el tema: Puedes comparar la caída de objetos utilizando el simulador en línea en http://recursos.educarex.es/escuela2.0/Ciencias/Fisica_Quimica/ Laboratorios_Virtuales_de_Fisica/Movimiento_de_Caida_Libre/ 42 CAPÍTULO Respecto a la rapidez en la caída Un objeto dejado caer comienza su caída muy lentamente, pero aumenta su velocidad constantemente, acelera con el transcurso del tiempo. Galileo demostró que (ignorando la resistencia del aire) los objetos ligeros y pesados aceleran a la misma razón constante cuando caen, o sea, su velocidad aumenta a una razón constante. La velocidad de una bola que cae desde un lugar elevado aumenta cada segundo una cantidad constante, designada normalmente por la letra g (de gravedad). El siguiente cuadro busca ayudarlos a comprender: Tiempo Valor de v en unidades de g Valor de v Distancia recorrida Instante inicial g m/s 0 0 después de 1 segundo 1 g m/s 9,81 m/s 4,9 m después de 2 segundos 2 g m/s 19,62 m/s 19,6 m después de 3 segundos 3 g m/s 29,43 m/s 44,1 m ¿Sabías que...? Hace ya algunas décadas, el astronauta estadounidense David Scott dejó caer en el mismo instante un martillo y una pluma sobre la superficie lunar. Para asombro de los televidentes, ambos llegaron prácticamente al mismo tiempo al suelo, dado que allí no hay prácticamente atmósfera que ofrezca resistencia a la caída. En el vacío todos los cuerpos, con independencia de su forma o de su masa, caen con idéntica aceleración en un lugar determinado, dentro de un campo gravitatorio. 2 2 Si quieres verlo está en youtube http://www.youtube.com/ watch?v=DU1jzuqT7rU Cuando un cuerpo es soltado: Estos valores se modifican si tenemos en cuenta la resistencia del aire, que se hace importante a velocidades elevadas y, normalmente, fija una velocidad límite a la velocidad de caída (velocidad terminal); que por ejemplo será mucho menor, para quien se arroje en caída usando un paracaídas. El valor de g está cercano a 10, con más precisión: 9,79 en el ecuador, 9,83 en el polo y valores intermedios entre ambos lugares, y se lo conoce como la aceleración debida a la gravedad. Vo = 0 m/s d1 V1 = 9,8 m/s d2 =4 d1 Resumiendo… todos los cuerpos caen debido a la fuerza de atracción que existe entre la Tierra y ellos; todo cuerpo que cae libremente tiene una trayectoria vertical; el peso de los cuerpos no guarda relación con su velocidad de caída; V2 = 19,6 m/s Movimiento acelerado V2 > V1 43 2 “Eppur si muove”...Y sin embargo se mueve en el aire los cuerpos que poseen diferente forma tardan distinto tiempo en caer desde una misma altura; la diferencia en el comportamiento durante la caída libre de los cuerpos que poseen diferentes formas se debe a una fuerza en sentido contrario ejercida por el aire; la caída de los cuerpos es un movimiento uniformemente acelerado; todos los cuerpos caen con la misma aceleración. simpLemente: eL pLano incLinado Actividades Analicen el movimiento de un paracaidista. ¿Cómo es su movimiento antes de abrir el paracaídas? ¿Qué ocurre luego de abierto el paracaídas? ¿Qué factores influyen en este movimiento? ¿Podrían discutir acerca de la trayectoria? Galileo razonó: “Si un objeto sobre un plano horizontal no se mueve y sobre uno vertical cae libre, sobre una superficie inclinada su velocidad dependerá del ángulo de inclinación”. Los planos inclinados permitieron a Galileo estudiar la gravedad con velocidades y distancias y tiempos que podía medir con los recursos a su alcance. Descubrió dos hechos fundamentales: que la velocidad crece con el tiempo y que, independientemente del peso de los objetos, el efecto de la gravedad es siempre igual. Los cuerpos en caída por un plano inclinado despreciando el rozamiento están sometidos a la atracción de la Tierra y experimentan un movimiento uniformemente acelerado. Esta aceleración aumenta con la inclinación del plano, alcanzando su máximo valor cuando la inclinación es de 90º. Plano inclinado de Galileo Galilei en el Museo Galileo de Florencia, Italia 44 CAPÍTULO Trabajo de laboratorio Pueden explorar algunos de los experimentos de Galileo utilizando un riel o madera acanalada de no menos de 1,2 m de largo, por el cual pueden dejar caer bolillas de acero o de vidrio. 2 2 a) Coloquen un extremo del riel elevado respecto al otro extremo como se muestra en la figura. b) Realicen marcas equidistantes, por ejemplo, de 20 en 20 cm en tu plano inclinado. c) Dejen caer la bolita más grande y midan el tiempo que tarda en pasar por cada marca. d) Háganlo varías veces y saquen el promedio para disminuir las incertidumbres propias de cada medición. Para esta actividad, si son cuidadosos, con tres mediciones de tiempo por cada distancia, será suficiente. Anoten sus datos en la siguiente tabla: Distancia (metros) Tiempo 1 Tiempo 2 Tiempo 3 Tiempo promedio(s) 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 f) Construyan la gráfica distancia - tiempo para ambas bolitas (empleen el tiempo promedio y colóquenlo en el eje horizontal de su gráfica). Distancia e) Repitan las mediciones pero ahora con la bolita pequeña, anoten las medidas en una tabla similar a la anterior. g) En base en estos resultados ¿podrían afirmar que la bolita más grande cae más rápido que la pequeña? Los cuerpos que caen, ¿cambian su velocidad? ¿Describen un movimiento libre o forzado? Tiempo 45 2 “Eppur si muove”...Y sin embargo se mueve h) Traten ahora de graficar la relación entre el cuadrado del tiempo y la distancia, completando una tabla similar a la siguiente, con los datos de sus experimentos. Distancia d (m) Tiempo promediot (s) Cuadrado del tiempo t2 (s2) 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 i) Observen las líneas que obtuvieron en la gráfica. ¿Existe alguna relación de proporcionalidad? j) Repitan el experimento inclinando el plano un ángulo diferente al que usaron en los experimentos anteriores y completando una tabla semejante. k) ¿Hay diferencia en la rapidez alcanzada con diferentes pendientes? ¿Cuánto vale su nueva constante de proporcionalidad entre el espacio recorrido y el cuadrado del tiempo (cte = x/ t2)? ¿Cuánto vale la aceleración en sus experimentos? El modelo matemático dirá que x = cte. t2. l) Expliquen por qué observamos que los cuerpos pesados caen más rápido que los ligeros. En tu explicación incluye, como mínimo, las palabras: fricción, proporción directa, aire, distancia, tiempo, aceleración de la gravedad. Fórmula del movimiento Si generalizamos las fórmulas para cualquier movimiento x = vit + ½ at2 , v= vi + at y v2= v2i + 2ax donde x es la distancia, v la velocidad, a la aceleración y t el tiempo 46 Galileo infirió que no solamente la caída libre es uniformemente acelerada, sino que todos los cuerpos en caída libre tenían la misma aceleración, es decir, la misma en la ausencia de frotamiento y resistencia. Con experimentos como estos Galileo descubrió que el movimiento de la bola se puede descomponer: el movimiento horizontal por un lado y el vertical por otro. Acababa así, sin saberlo, de poner las bases del concepto de vector. CAPÍTULO 3 La energía como capacidad de producir cambios La palabra energía es probablemente una de las más nombradas en la sociedad actual. La “crisis de la energía”, el “aprovechamiento de la energía”, son expresiones presentes habitualmente en los diferentes medios de comunicación. El consumo de energía por habitante es uno de los indicadores de la calidad de vida de un país. Sin energía, ningún proceso físico, químico o biológico sería posible. Tampoco dispondríamos de iluminación, calefacción y transporte, entre otras necesidades de la vida cotidiana. La historia de la energía es paralela a la de la humanidad. El mito de Prometeo, quien robó el fuego de los dioses y lo entregó a los hombres, es la primera referencia simbólica de su uso. Hace más de 500.000 años que el hombre aprendió a usar el fuego como fuente de energía y desde entonces no ha cesado en la búsqueda de nuevas fuentes energéticas. No es sencillo introducir el concepto: pese a que la energía está relacionada con todo lo que pasa alrededor nuestro, solemos confundir este concepto con el de “fuerza” (causa de deformación o movimiento) cuando en realidad se trata de algo más amplio: “es aquello que permite que las cosas sucedan”. En términos operativos: “la energía es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar trabajo”. A partir de lo expuesto, es correcto asociar la energía de un cuerpo o sistema a la capacidad de producir cambios: al quemar un trozo de madera, en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica, en el viento, los rayos, los truenos y el agua que cae durante una tormenta, al elevar un objeto, al transportarlo, al deformarlo o calentarlo. La noción de energía se introduce en la física para facilitar el estudio de los sistemas materiales. La naturaleza es esencialmente dinámica, es decir, está sujeta a cambios: cambios de posición, cambios de velocidad, cambios de composición o cambios de estados físicos. Pues bien, existe algo que subyace a los cambios materiales y que indefectiblemente los acompaña; ese “algo” constituye lo que se entiende por energía. Dicho en otros términos, todos los cambios materiales están asociados con una cierta cantidad de energía que se pone en juego, se cede o se recibe. Quizá les sirva para entender mejor si hacemos una analogía con el dinero: la energía sería el dinero con la que se compran los cambios físicos de un sistema. En una transacción económica: quien compra da cierta cantidad de dinero al vendedor a cambio de un bien o un servicio. El comprador tiene ahora menos dinero que el que tenía, Pero el dinero en sí no ha desaparecido, solo ha cambiado de manos. 3 La energía como capacidad de producir cambios Actividades Confeccionen un listado de cambios que puedan reconocer en su entorno y en el planeta entero, sean estos naturales o producidos por los seres humanos, y que consideren de importancia para la vida. Indiquen, en cada caso, qué es lo que cambia. ¿Habrá algo en común en los orígenes de dichos cambios? El joule En 1948 el joule fue adoptado por la Conferencia Internacional de Pesas y Medidas como unidad de energía; definiéndolo como la cantidad de trabajo efectuado por una fuerza de 1 newton actuando a través de una distancia de 1 metro. Para indicar la cantidad de energía que tiene un cuerpo, o la cantidad de energía transferida o transformada se usa la unidad llamada joule. Como es muy pequeña, se suele utilizar con prefijos que indican por cuanto la multiplicamos. Algunos de ellos son kilo, mega, giga y tera 1 kilojoule (kJ) vale 1.000 joules, 5 megajoule (MJ) valen 5.000.000 de joules; y 3 gigajoules equivalen a tres mil millones de joules. El tera nos indica que debemos multiplicar por un billón. El valor energético o valor calórico de un alimento es proporcional a la cantidad de energía que puede proporcionar al quemarse en presencia de oxígeno. Se mide en calorías, que es la cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado la temperatura de 1 gramo de agua (la masa de 1 cm3). Como su valor resulta muy pequeño, en dietética se toma como medida la kilocaloría (1kcal = 1000 calorías). Las necesidades energéticas de una persona se cubren fundamentalmente a través de los hidratos de carbono y de los lípidos o grasas, y dependen del consumo diario de energía al realizar actividades y la que se gasta para mantener las funciones básicas como la respiración o el bombeo del corazón. Es prácticamente imposible hacer una estimación exacta del gasto energético de una persona; sin embargo la Organización Mundial de la Salud ha calculado que las necesidades energéticas diarias de una persona en edad escolar son de 50 kcal por cada kg de peso. Leer las etiquetas de los alimentos que consumimos puede ayudarnos a elegirlos de manera acertada. La mayoría de los alimentos envasados mencionan la información nutricional en la etiqueta, en una sección denominada “información nutricional”. Uno de los datos es el valor energético total. Esto indica que los alimentos “almacenan” energía útil, energía que “aportan” cuando se los consume. ¿En dónde estará “guardada” la energía de los alimentos? ¿Cómo hará el cuerpo para obtener y usar esa energía? Información nutricional en envases de alimentos 48 CAPÍTULO 3 3 Información que podemos encontrar en la etiqueta de los productos La energía de los cuerpos y sus formas de intercambio La energía puede transformarse (de una forma a otra) o transferirse (de un cuerpo a otro). El calor y el trabajo no son formas de energía sino “mecanismos de transporte o transferencia de energía”. La energía que poseen los cuerpos se llama energía interna. Toda cuerpo está constituido por partículas: átomos, iones, moléculas... todas ellas se encuentran en constante movimiento (energía cinética). A la vez, las partículas pueden estar unidas, gracias a la acción de fuerzas de atracción electromagnéticas que permiten enlaces entre unas y otras (energía potencial electromagnética). A la suma de ambas energías se le denomina energía interna y se manifiesta al exterior mediante la temperatura. La temperatura es una propiedad de todos los cuerpos, relacionada mediante una proporcionalidad directa, con la energía cinética promedio que tienen las partículas que los componen. Si se pierde energía interna la temperatura disminuirá; si ocurre lo contrario, aumentará. Ahora bien, un sistema puede intercambiar energía con el exterior, incluso a expensas de su propia energía interna, y a este proceso de energía en tránsito se lo llama “calor” o “trabajo”. Podríamos definir al calor como la energía que se transfiere cuando existe desequilibrio térmico: el cuerpo de mayor temperatura le cede calor al de menor temperatura. El trabajo es una forma de transferir energía cuando existe un desequilibrio no térmico. Siempre representa un intercambio de energía entre un sistema y su ambiente. Se realiza trabajo mecánico cuando una fuerza provoca un desplazamiento. La unidad de trabajo, al ser esta energía en transferencia, es la misma que ya mencionamos: el Joule. De modo que cada Newton por metro es un joule dentro del Sistema Internacional de Unidades. En este mismo sistema, le corresponde también la unidad joule al calor, ya que es otra de las formas de transferir energía entre los cuerpos. Otra unidad para el calor, como ya vimos, es la caloría que equivale a 4,186 joules, y es la energía necesaria para que 1 gramo de agua eleve su temperatura de 14,5º a 15,5º C. 49 3 La energía como capacidad de producir cambios Formas de la energía Una de las propiedades de la energía es la de presentarse en diferentes formas. Para cocinar unas papas, se calienta el agua de una olla quemando el gas de la hornalla de la cocina, de modo que la energía transferida al agua (a la olla y al ambiente) estaba almacenada en el combustible, y luego con la combustión pasó al agua provocando el aumento de la energía cinética de sus moléculas y por tanto su temperatura. La energía para que funcione un reloj de pulsera puede provenir del desenrolle de una cinta de acero, de una pila, de la luz solar o de un volante que adquiere su energía por el balanceo del brazo al caminar. La antena de una emisora de radio emite las ondas electromagnéticas que tu aparato receptor convierte en ondas sonoras. La energía “cambia” de una forma a otra: se transforma. Cada vez que observamos un material que arde sabemos que el mismo contiene energía química que se está liberando y que se manifiesta por la percepción de incandescencia y el aumento de la temperatura. De igual forma, podemos conocer si es de día o de noche, aunque tuviéramos los ojos vendados, puesto que sentiríamos en nuestra piel el efecto de la energía radiante del sol, que llega hasta el planeta por medio de la radiación solar. Las plantas con clorofila reciben la energía radiante del sol, la cual es utilizada por estos seres vivos para realizar la fotosíntesis, transformando la energía radiante del sol en energía química que se almacena en los frutos, tallos y hojas de estas plantas. Cuando otros seres vivos se alimentan de plantas o de los frutos y semillas que estas producen, obtienen parte de esa energía química almacenada en los tejidos vegetales; es el caso de los seres herbívoros, que a su vez sirven de alimento a seres vivos carnívoros, por lo que la energía química original, almacenada en las plantas (cuyo origen primario es la energía radiante del sol) llega a ser almacenada en forma de energía química en las células, tejidos, órganos y sistemas de esos seres vivos herbívoros y carnívoros. Al referirnos a energía procedente del núcleo de un átomo decimos “energía nuclear”, al referirnos a la que nos llega del Sol, decimos “solar”, a la que nos permite movernos, le decimos “muscular”; cuando la energía está vinculada a la luz, la llamamos “energía lumínica”. Es decir que la procedencia es la manera más común de identificar las formas de la energía. 50 CAPÍTULO La utilidad de la energía Algunas de las propiedades de la energía son: Se transforma, es decir que tiene capacidad para convertirse de un tipo de energía a otra. Por ejemplo, la energía eléctrica puede convertirse en energía química cuando cargamos la batería de un teléfono celular. 3 3 Se almacena y transporta mediante sistemas físicos. Por ejemplo, en los combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas), mediante redes eléctricas. Se transfiere, es decir, por medio de una serie de mecanismos los sistemas son capaces de intercambiar la energía entre ellos. Por ejemplo, si mezclamos leche sacada de la heladera con café recién hecho, el café le transfiere calor a la leche. Se degrada, convirtiéndose progresivamente en tipos de energía menos útil y perdiendo así su capacidad para producir cambios. Por ejemplo, la resistencia eléctrica de la plancha produce calor, pero no es posible convertir ese calor en la misma cantidad de energía eléctrica. Se conserva, sea cual sea el proceso que experimente. Por ello podrá decirse que dentro de un sistema aislado, la energía se mantiene constante. La energía que un niño acumuló al subir las escaleras de un tobogán se transforma en la energía de su movimiento de bajada. Es independiente de las interacciones, es decir, se puede hablar de energía de un sistema aislado, al contrario de lo que ocurre con las fuerzas que siempre aparecen en parejas. La energía radiante solo depende de la fuente que la produce. Es una magnitud escalar, es decir, el resultado obtenido a partir de una cierta cantidad de energía no depende de la dirección en que se desplaza el cuerpo. Por ejemplo, la energía que tiene un cuerpo que se mueve depende de su masa y rapidez, sin importar cómo y hacia donde se desplaza. Cuanto más grande sea la cantidad de energía de un sistema, mayor será la “capacidad de hacer” que ese sistema tiene. Cuanto más alto subamos un martillo, más energía potencial tendrá y podrá realizar mayor trabajo al ser descargado. 51 3 La energía como capacidad de producir cambios Actividades a) Expliquen por qué son verdaderas las siguientes afirmaciones: • Cuanto más tensa esté la cuerda del arco, más lejos llegará la flecha. • Cuanto más alto esté el martillo del herrero, mayor será la deformación que producirá al golpear. • Cuanto más abierta esté la hornalla y más grande sea la llama, más rápido se calentará el agua. b) Busquen nuevas situaciones que ejemplifiquen las propiedades de la energía. c) ¿Cuál sería la razón por la que se hace la siguiente afirmación: “el origen de los cambios está frecuentemente asociado a la palabra energía”? d) Expliquen desde el punto de vista de la energía, por qué en una pendiente el consumo de combustible de un camión es mayor durante la subida que durante la bajada. fuentes de energía Las fuentes energéticas son aquellos recursos o medios que pueden ser transformados en algún tipo de energía para luego ser consumida. Si bien el origen de casi todas las fuentes de energía es el Sol, que “recarga los depósitos de energía”, podemos clasificarlas atendiendo a los siguientes criterios, según su origen, disponibilidad o utilización: Según sea la forma de su utilización La energía primaria es la que se extrae, capta o produce a partir de portadores energéticos naturales, independientemente de sus características y siempre que no conlleve transformaciones energéticas. Un ejemplo es la utilización de la energía del agua embalsada en un dique. La energía secundaria se refiere a los productos resultantes de las transformaciones o elaboración de recursos energéticos naturales (primarios, por ejemplo: petróleo crudo, agua o gas natural) o, en determinados casos, a partir de otra fuente energética ya elaborada. Nos referimos a procesos de transformación físicos, químicos o bioquímicos que modifican sus características originales. La electricidad y la nafta son ejemplo de fuentes energéticas secundarias. Según su origen Son fuentes renovables las que son inagotables o que se vuelven a generar a un ritmo mayor al que se consumen. Podemos mencionar la energía del Sol, la energía eólica, la energía producida por la atracción gravitatoria de la Luna (energía mareomotriz), la energía de la tierra (energía geotérmica), o la energía de una caída de agua, etc. 52 CAPÍTULO 3 Son fuentes no renovables aquellas que no se regeneran a corto plazo y, por lo tanto, se agotan. Es la energía convencional que proviene de los combustibles como el uranio, el gas natural, el carbón y el petróleo. Según su grado de disponibilidad Llamamos fuentes convencionales a aquellas cuyo uso se ha extendido y que proporcionan la mayoría de la energía que utilizamos los seres humanos, por ejemplo los combustibles derivados del petróleo. 3 Las fuentes no convencionales o alternativas son aquellas cuya utilización está menos extendida que las anteriores, si bien cada vez adquieren más importancia, sobre todo en el caso de las energías eólica y solar. Según sean limpias o contaminantes La energía solar, la del viento y la del agua (hidráulica, mareomotriz, geotérmica) son los casos en que no se producen residuos al usarlas. Las contaminantes no renovables son todas las derivadas de combustibles fósiles o radiactivos. Las contaminantes renovables, se obtienen a partir de la materia orgánica o biomasa, y se pueden utilizar directamente como combustible: madera u otra materia vegetal sólida, bioetanol, biogás, biodiésel, residuos urbanos, etc. Todas las combustiones emiten dióxido de carbono, gas de efecto invernadero, y a menudo son aún más contaminantes puesto que la combustión no es tan limpia, emitiendo hollines y otras partículas sólidas. Muchas veces la fuente de energía y el consumidor están separados por grandes distancias. Por ejemplo, los yacimientos de petróleo y gas argentinos están en su mayoría en la Patagonia, pero las grandes concentraciones de población, y por lo tanto de consumo, se encuentran a miles de kilómetros de esa región. La energía eléctrica que llega a nuestros hogares a veces recorre miles de kilómetros en líneas de alta tensión que unen las ciudades de la provincia de Buenos Aires con las centrales hidroeléctricas que se encuentran en los embalses del río Limay (Neuquén). El problema a resolver es cómo transportar la energía de manera que podamos usarla dónde y cómo queramos. Transportar gas, petróleo o nafta es posible pero los costos son altos. La electricidad aparece como la forma más barata de salvar grandes distancias a un costo relativamente reducido. 53 3 La energía como capacidad de producir cambios Para obtener energía eléctrica a partir de otras formas de energía, se construyen centrales eléctricas. Según la fuente de energía que se utilice en ellas, estas centrales podrán ser: Hidroeléctricas: se construyen en ríos donde exista un desnivel del caudal de agua. Al caer el agua (energía mecánica) mueve unas aspas (turbinas), que hacen girar un generador que produce la energía eléctrica. Térmicas: utilizan carbón, fuel o gas con el que calientan grandes cantidades de agua (energía calorífica), hasta hacerla hervir. El vapor generado mueve las turbinas que hacen girar los generadores produciendo energía eléctrica. Eólicas: el viento hace girar unas grandes aspas que mueven los generadores produciendo energía eléctrica. Solar (fotovoltaica): los paneles formados por células fotovoltaicas, transforman la energía solar directamente en energía eléctrica. La luz solar transporta la energía en forma de fotones y al incidir en ciertos materiales y bajo ciertas condiciones, provocan una corriente eléctrica. Es el efecto fotovoltaico. Nuclear: la desintegración de átomos, fundamentalmente de uranio, de manera controlada, produce una gran cantidad de energía calorífica que hace hervir agua y el vapor producido, mueve las turbinas que trasladan su energía mecánica a los generadores que se encargan de producir energía eléctrica. El canal Encuentro dispone de numeroso material útil para ampliar vuestra información y aprender sobre temas de vuestro interés. Les propongo vean el video alojado en http://www.encuentro.gov. ar/sitios/encuentro/Programas/detallePrograma?rec_id=50681 Estados de la energía La energía potencial es aquella que se encuentra almacenada en espera de ser utilizada. Se llama así porque en ese estado tiene el “potencial” para realizar trabajo. Por ejemplo, un resorte comprimido tiene potencial para hacer trabajo, cuando se le da cuerda a un juguete se está almacenando energía. También la energía química de los combustibles es energía potencial. Cualquier sustancia capaz de realizar trabajo por medio de una reacción química posee energía potencial. Hay energía potencial en los combustibles fósiles (la nafta, por ejemplo), en las pilas y en los enlaces entre átomos de las moléculas de los alimentos que ingerimos, en un limón colgando de la rama de un limonero y en un martillo alzado para golpear un clavo. La fórmula para determinar el valor de la energía potencial de un cuerpo es la siguiente: Ep= m . h . g En donde “m” es la masa del cuerpo, “h” la altura a la que se encuentra y “g” el valor de la aceleración de la gravedad que, como ya vimos, toma valores diferentes que dependen de la ubicación del cuerpo; el valor generalizado es igual a 9.81 m/s2 54 CAPÍTULO 3 Sugiero que visiten este sitio para ampliar la información: http://recursostic.educacion.es/newton/ web/materiales_didacticos/trabajo/trapoenapplet5.htm La energía cinética de un objeto en movimiento es igual al trabajo necesario para darle esa velocidad, o el trabajo que el objeto puede realizar cuando se lo detiene. Para que un cuerpo adquiera energía cinética hay que ponerlo en movimiento, lo que se logra aplicándole una fuerza. Cuanto mayor sea el tiempo que esté actuando dicha fuerza, mayor será la velocidad del cuerpo y, por lo tanto, su energía cinética será también mayor. Otro factor que influye en la energía cinética es la masa del cuerpo. 3 Un cuerpo en movimiento es capaz de cambiar la velocidad de otros. De la misma forma, un cuerpo en movimiento puede realizar un trabajo; por ejemplo: una pelota de bowling lleva una velocidad que por consecuencia derriba los bolos, un clavo se encaja en la madera porque el martillo que se usa lleva una velocidad que permite golpearlo con la energía suficiente para efectuar ese trabajo. La energía térmica (movimiento aleatorio de las moléculas), la energía acústica (moléculas que vibran rítmicamente), la energía radiante (cuyo origen es el movimiento de los electrones dentro de los átomos) son algunas manifestaciones de la energía cinética. Los diversos tipos de energía tienen mucho en común. La expresión matemática para determinar la energía cinética es la siguiente: Ec = ½ . mv2 En donde “m” es la masa del cuerpo, dada en kilogramos, y “v” la velocidad del cuerpo, medida en m/s. Ampliar la información en: http://contenidos.educarex.es/cnice/newton/escenas/trabajo_energia/ energiacinetica.htm La energía mecánica de un cuerpo resulta de la suma de los dos estados, cinético y potencial. Si no hay rozamiento, la energía mecánica siempre se conserva. Si hay rozamiento, se transformará en otra forma de energía, por ejemplo en calor. 55 3 La energía como capacidad de producir cambios Actividades Patinador y más... Para trabajar el tema de la energía mecánica, cinética y potencial, les sugiero descarguen la simulación “Pista de patinar - Energía (energy-skate-park_es.jar)” de la página http://phet.colorado.edu/ en/simulations/translated/es. En esta simulación encontrarán a un patinador sobre una pista; ustedes podrán modificar el escenario, al propio patinador, e incluso medir las variables que intervienen en este experimento virtual. La segunda pestaña te permitirá disponer de ejemplos de rampas muy interesantes de explorar... Una vez que hayan interactuado con la simulación, resuelvan estas propuestas: a) Describan cualitativamente lo que observan. ¿Cómo es el movimiento del patinador en el punto más alto? ¿Y en el más bajo? ¿Por qué tienen que aumentar la altura para que se mueva más rápido? ¿Habrá otra manera de lograrlo? Hagan la prueba y redacten sus conclusiones. b) Ajusten al patinador a dos metros por encima del suelo en la rampa y suéltenlo. ¿Qué tipo de energía tiene el patinador en la posición de dos metros de altura?¿Qué tan alto puede llegar el patinador en el otro extremo de la rampa? c) Expliquen, en términos de la conservación de la energía, ¿por qué el patinador nunca irá más alto que su respuesta a la pregunta dos? d) Si colocaran al patinador a una altura de cinco metros, ¿qué tan alto llegará el patinador al ir al otro lado de la pista? Pruébenlo para confirmar su predicción. A D E B e) ¿Cómo cambia la energía cinética del patinador mientras se mueve por la rampa? f) ¿Cómo cambia la energía potencial del patinador mientras se mueve por la rampa? C g) ¿Cómo cambia la energía total del patinador mientras se mueve por la rampa? h) Describan cómo es la energía cinética del patinador en la parte inferior de la rampa. Hagan lo mismo con la energía potencial. i) ¿Qué sucede cuando el patinador se cae en la rampa de arriba? (Pista: miren el gráfico de barras.) ¿Qué sucede con la energía total cuando el patinador se cae en la rampa de arriba? 56 CAPÍTULO 3 Actividades j) Investiguen como es la energía del patinador en los puntos A, B, C, D y E de la rampa. k) La gravedad de la luna es 1/6 de la terrestre. Dejando la pista sin modificar, ¿qué sucedería con la rapidez del movimiento si cambian su ubicación a la Luna? Verifiquen su hipótesis. ¿Qué sucedería si el escenario es el planeta Júpiter? Expliquen por qué dicen que va a suceder aquello que dicen que va a suceder. 3 l) Prueben transformar la pista en una superficie plana. ¿Qué sucede? ¿Qué sucedería si convierten la pista en un tobogán? ¿En qué se convierte la energía total del patinador cuando incrementan la fricción? Modelen la pista de modo que incluya un “rulo”. ¿Pueden lograr que el patinador supere el rulo? ¿Cómo han hecho para lograrlo? Anoten bajo qué condiciones el patinador puede superar el “rulo” sin perder contacto con la pista. Redacten sus conclusiones. m) El simulador permite también calcular a partir de la elección de masa (m), aceleración de la gravedad (g) y altura (h). De modo que: elige un punto cualquiera de la pista y teniendo en cuenta los valores iniciales para el movimiento del patinador predice el valor de su velocidad (energía cinética, energía total, etc.). n) Carolina quiere diseñar una montaña rusa donde el patinador viaje súper rápido en la parte inferior. ¿Qué características debe tener la montaña rusa? o) Hagan clic en la opción cámara lenta para visualizar los cambios más fácilmente. Elijan la fricción en un 25 %, coloquen al patinador en el punto más alto de la rampa y analicen los cambios que se producen e identifiquen las causas de los mismos. conserVación de La energía El principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye; solo se transforma de unas formas en otras. En estas transformaciones, la energía total permanece constante; es decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación. Cuando se consideran únicamente transformaciones de tipo mecánico, es decir, cambios de posición y cambios de velocidad, y en ausencia de rozamientos y sin intervención de ningún trabajo externo, la suma de las energías cinética y potencial permanece constante. Un sistema podrá variar su energía cinética y su energía potencial y cambiar, por lo tanto, la velocidad y su posición. Así, un aumento en el término de energía cinética debe llevar asociada la disminución de energía potencial. La conservación de la energía mecánica explica que si un cuerpo cae desde una altura dada, adquiere una velocidad suficientemente grande como para rebotar en el suelo y elevarse de nuevo hasta la altura inicial. Si tenemos en cuenta la pérdida de energía mecánica por el choque contra el suelo y por rozamiento con el aire, la energía inicial se conservará pero transformándose en otras. 57 3 La energía como capacidad de producir cambios La rapidez con que se transfiere la energía En la vida cotidiana, interesa saber no solo el trabajo que se pueda efectuar, sino también la rapidez con que se realiza. Llamamos potencia a la rapidez con que se transfiere energía. La noción de potencia se define así como la cantidad de energía que se intercambia en una unidad de tiempo. La unidad de potencia que se emplea convencionalmente es 1 joule cada segundo y se denomina Watt o Vatio (W). Potencia = W/t = trabajo/tiempo = energía transferida/tiempo Este concepto se aplica a cualquier proceso de transferencia energética. Por ejemplo, hablar de la potencia de una grúa para elevar una carga, es hablar del trabajo desarrollado por ella en una unidad de tiempo. Por lo tanto, al caracterizar un intercambio de energía no solo importa la cantidad, sino también la duración del proceso Una plancha de 1.500 W consume 1.500 J cada segundo, es decir que en una hora (3.600 segundos) consume 5.400.000 joules. Este ejemplo muestra que el joule es una unidad de medida de la energía demasiado chica para los usos prácticos, por lo que para facturar la energía eléctrica que consumimos se usa el kiloWatt-hora (o kiloVatio-hora), simbolizado por kWh. Un kWh es la energía que consume en una hora un aparato de una potencia de 1.000 W. En consecuencia, la plancha que usamos como ejemplo consume en cada hora 1,5 kWh. La energía necesaria para secar el cabello de una persona depende de la cantidad de cabello y de cuán mojado esté, el trabajo de secado será el mismo con cualquier secador, sin embargo un secador profesional de 1600W hará la tarea cuatro veces más rápido que un secador de viaje de 400W. Pensemos... Un objeto que se desliza sobre una superficie en algún momento se detiene, una pelota que cae rebota hasta cierta altura... pero ni un objeto comienza a moverse solo, ni una pelota rebota cada vez más alto ¿Alguno de estos procesos no cumple con la ley de conservación de la energía? Revisando unidades, en el Sistema Internacional la potencia se expresa en joules por segundo, unidad a la que se le da el nombre Watt (W), 1 W = 1J/s. Algunos de sus múltiplos son el kilowatt (1.000 W), megawatt (1.000.000W). Desde el uso técnico aparece la unidad llamada “caballo de fuerza”, abreviada HP, que equivale a 746 Watts. La potencia puede ser medida en cualquier instante de tiempo, mientras que la energía debe ser medida durante un cierto periodo, por ejemplo un segundo, una hora o un año. Les sugiero revisar y realizar las cuestiones sobre la energía planteadas en la página: http://ieselaza.educa.aragon.es/FisicaConceptualAplicada/Capitulo1/Archivos/Energia.swf La degradación de la energía La experiencia demuestra que a medida que la energía es utilizada para promover cambios en la materia, pierde capacidad para ser empleada nuevamente. Cuando decimos que la energía no se pierde, solo se transforma, hacemos referencia a la cantidad, pero no a la calidad de la energía, la cual está relacionada con la posibilidad de ser utilizada. En toda transformación la energía se degrada, pierde calidad. 58 CAPÍTULO Todas las transformaciones energéticas asociadas a cambios materiales acaban antes o después en energía térmica; esta es una forma de energía muy repartida entre los distintos componentes de la materia, por lo que su grado de aprovechamiento es menor. Este proceso de pérdida progresiva de calidad se conoce como degradación de la energía y constituye otra de las características de esta magnitud o atributo que han identificado los físicos para facilitar el estudio de los sistemas materiales y de sus transformaciones. Cuando dos cuerpos interactúan, puede producirse un intercambio de energía a través de dos mecanismos: calor y trabajo. El trabajo puede transformarse íntegramente en calor pero, este no puede transformarse íntegramente en trabajo. De modo que en el mundo real hay una diferencia entre la energía que utilizamos y la que consumimos; la física reserva la palabra rendimiento para indicar esta relación, que en términos porcentuales sería: 3 Actividades a) Para el funcionamiento de una casa, de la escuela o de cualquier ámbito de la comunidad se necesita energía, especialmente eléctrica ¿Se imaginan cómo sería un día de sus vidas sin contar con energía eléctrica? 3 b) Busquen información sobre producción y consumo de energía. Expliquen cuáles son los problemas asociados a la producción y al consumo. Indiquen qué soluciones les parecen posibles. Energía útil R = ____________ . 100 Energía total Vocabulario ondas y energía Los fenómenos ondulatorios son parte importante del mundo que nos rodea. A través de ondas nos llegan los sonidos y también como ondas percibimos la luz; se puede decir que a través de ondas recibimos casi toda la información que poseemos. ¿Qué es una onda? Una onda es una perturbación que se propaga por el espacio, es un movimiento repetido de un lado a otro en torno a una posición central, o posición de equilibrio. El recorrido que consiste en ir desde una posición extrema a la otra y volver a la primera, pasando dos veces por la posición central, se denomina ciclo. El número de ciclos por segundo, se conoce como frecuencia de la oscilación. En una onda se propaga energía, pero no materia. Cresta Longitud de onda Amplitud Valle Ciclo: se denomina así a cada patrón repetitivo de una onda. Período: es el tiempo que tarda la onda en completar un ciclo. Frecuencia: número de ciclos que completa la onda en un intervalo de tiempo. Si dicho intervalo es de un segundo, la unidad de frecuencia es el Hertz (Hz). El período y la frecuencia están relacionados de la siguiente manera: 1 f = _______ T Amplitud: es la medida de la magnitud de la máxima perturbación del medio producida por la onda. Longitud: es la distancia entre los puntos inicial y final de un ciclo (por ejemplo, entre un valle de la onda y el siguiente). Habitualmente se denota con la letra griega lambda λ. 59 3 La energía como capacidad de producir cambios La luz es energía radiante de origen electromagnético, que se propaga como ondas e interactúa como partículas. Solo vemos un pequeño intervalo al que llamamos luz visible. En esta porción de energía radiante podemos distinguir diferentes longitudes de onda (y frecuencias) correspondientes cada una de ellas a un color diferente. En general, la cantidad de energía que transportan las ondas depende de su frecuencia, mayor frecuencia, mayor energía. También es la frecuencia la que determina su visibilidad o invisibilidad para nuestros ojos. Las radiaciones de frecuencias altas son los rayos ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma, y las de frecuencias más bajas que la luz visible son las del infrarrojo, las microondas y las ondas de radio. Espectro de luz visible ¿Penetra la atmósfera terrestre? SÍ NO Tipo de radiación Longitud de onda (m) Radio 103 Escala aproximada de la longitud de onda EDIFICIOS HUMANOS Microondas 10-2 SÍ Infrarrojo 10-5 MARIPOSAS PUNTA DE AGUJA NO Visible Ultravioleta 0,5 x 10-6 10-8 PROTOZOOS Rayos X 10-10 MOLÉCULAS ÁTOMOS Rayos gamma 10-12 NÚCLEO ATÓMICO Frecuencia (Hz) 104 108 Temperatura de los objetos en los cuales la radiación con esta longitud de onda es la más intensa 1012 1k -272° C 1015 100 k -173° C 10.000 k 9.727° C 1016 1018 1020 10.000.000 k -10.000.000° C Espectro de onda electromagnética Cómo se origina la luz del Sol Nuestra principal e irreemplazable fuente de energía proviene del núcleo del Sol, el lugar perfecto para que se produzca la fusión nuclear. En este proceso, que es posible solo a altísimas presiones y temperaturas, cuatro núcleos de hidrógeno, cada uno de los cuales consiste en un solo protón, se convierten en un simple núcleo de helio, formado por dos protones y dos neutrones. 60 CAPÍTULO El Sol brilla luminoso porque parte de su masa está, continuamente, siendo convertida en energía. En números redondos, cada segundo, dentro del Sol, 600 millones de toneladas de hidrógeno son fusionados y se transforman en 595 millones de toneladas de helio. Esas 5 millones de toneladas de masa perdida se convierten en una energía equivalente a un millón de bombas de hidrógeno de un megatón cada una, expulsadas hacia el espacio. Eso es a cada segundo. V Ciclo protón - protón e+ g Fusión atómica En el proceso de fusión, los átomos resultantes son ligeramente más livianos que los átomos que los crearon. La masa faltante es liberada en una forma especial de energía que llega a la Tierra, según la fórmula ∆E = ∆m . c2; donde “∆E” representa la variación de la energía; “∆m” la variación de la masa y “c” es la velocidad de propagación de la luz en el vacío. 3 3 El físico Albert Einstein aportó el conocimiento de que la masa se puede convertir en energía y viceversa con esta famosa fórmula que los une. D He3 2 2 He3 He4 D g V D E = D m . c2 e+ = fotón = neutrino = electrón = protón = neutrón El Sol produce su energía en su interior y la envía en forma de luz al espacio desde su superficie (Fotosfera). La energía que llega del Sol y los cambios La radiación solar provoca innumerables cambios, por ejemplo, en las plantas, en nuestra piel, en los productos colocados en un secador. Algunos de esos cambios son muy importantes para la vida, ya que lo que más nos interesa es que esta se mantenga. Las plantas verdes que generan oxígeno y alimentos, utilizan la energía solar para practicar la fotosíntesis y para multiplicarse. Además, a partir de los vegetales, la El Sol En el Sol, 1kg de hidrógeno produce por fusión 180.000.000 kWh. El Sol también irradia en todas las direcciones un flujo continuo de partículas cargadas, compuesto en particular de protones núcleos de hidrógeno, electrones y, en menor porcentaje, por partículas alfa (núcleos de helio). A esta emisión se la llama viento solar. 61 3 La energía como capacidad de producir cambios energía se transmite a los animales. También combustibles como el carbón y petróleo provienen de las plantas. El Sol es la principal fuente de energía para el sistema climático de la Tierra, calienta nuestro planeta, al actuar sobre la superficie y la atmósfera. Esta energía dicta nuestros estados del tiempo. El ciclo del agua se inicia con un cambio de estado; la radiación solar evapora el agua de la superficie y cuando el aire húmedo asciende el vapor se condensa forma nubes y cuando esta agua precipita se completa el ciclo. El cambio de temperatura de diferentes zonas de la atmósfera al absorber la energía que llega del Sol, provoca que tengan diferente densidad y ejerzan diferentes presiones sobre la superficie de la tierra. El viento es el movimiento horizontal del aire que va de las zonas de mayor presión a las de menor presión. La energía cinética de este movimiento permite mover por ejemplo las aspas de los molinos que extraen agua o de los generadores de electricidad. La tecnología nos ha provisto de dos formas de capturar la radiación solar: por conversión térmica (sistema fototérmico) y por conversión fotovoltaica (sistema fotovoltaico). Si bien su uso se ha extendido no ha llegado a generalizarse. Deshidratador solar A los dispositivos que transforman la luz en electricidad se los llama paneles fotovoltaicos y a las aplicaciones de aprovechamiento térmico colectores. El más común es el colector solar plano que permite que la radiación capturada aumente la temperatura del agua que circula por su interior. También existen aplicaciones térmicas específicas como los desalinizadores solares de agua, los deshidratadores solares de frutas o las cocinas solares. Cubierta de policarbonato o Vidrio float Receptor de acero inoxidable Agua Aislación de lana de vidrio Panel fotovoltaico 62 Colector solar Aislación de Telgopor Caja de chapa galvanizada CAPÍTULO 3 Instalación fototérmica Tanque de aluminio (interno) Cubierta de chapa galvanizada (externa) Tanque de agua fría Aislación de telgopor 3 Llave Llave Placa colectora Salida de agua caliente Las ventajas de esta forma de energía son que no contamina y que proporciona energía barata. Los inconvenientes tienen que ver con que es una fuente energética intermitente, ya que depende del estado del tiempo y del número de horas de Sol que hay en cada día del año, y que el rendimiento energético es bastante bajo, se necesitan grandes superficies captadoras para disponer de energía como para abastecer una vivienda. La energía de las tormentas El impresionante espectáculo de luces y sonidos de una tormenta es el resultado del intercambio de energía entre las nubes y en especial entre las nubes y la tierra. Para la formación de tormentas se requiere la conjunción de ciertos factores: Salida de agua fría Sugerencias Si les gusta curiosear y desean saber más sobre el Sol les paso una lista de páginas referidas al Sol: sohowww.nascom.nasa.gov/explore/ www.spaceweather.com www.solarmonitor.com www.nasa.gov www.science.nasa.gov stereo.gsfc.nasa.gov/ helios.gsfc.nasa.gov/cme.html www.oafa.fcefn.unsj-cuim.edu.ar/hasta/ www.oafa.fcefn.unsj-cuim.edu.ar/mica/ www.iafe.uba.ar aire inestable; contenido de humedad relativamente alto; un mecanismo que origine el ascenso del aire hasta niveles superiores. Las nubes de tormenta (llamadas cúmulo nimbus) alcanzan una gran altura entre su base y su parte superior. En este tipo de nubes el agua es arrastrada por corrientes verticales, muy fuertes. Estos movimientos causan fricciones, choques y fragmentaciones de las partículas de agua; así se crea el campo eléctrico en la nube (cargas positivas en 63 3 La energía como capacidad de producir cambios la cima y la base de la nube, negativas en su centro). Cuando el desequilibrio eléctrico generado es suficientemente grande, se producen descargas eléctricas, ya sea entre nubes (relámpagos) o bien entre la nube y el suelo (rayos). El desplazamiento de cargas excita y ioniza a los átomos del aire del canal de descarga. La corriente eléctrica en un rayo es entre 50.000 y 100.000 veces mayor a la que circula en una lámpara eléctrica. Una descarga eléctrica tan grande les cede energía a los átomos del aire de los lugares por donde pasa (canal de descarga); cuando estos átomos excitados regresan a su estado de equilibrio, emiten como luz ese excedente de energía. Todos los rayos buscan siempre el mejor camino para llegar a destino. Ese camino está delimitado por objetos, densidades de aire y humedad en el aire que van a marcar su trayectoria. Un rayo está constantemente cambiando de dirección mediante saltos, buscando el camino que mejor conduzca a la descarga (aire más húmedo, un árbol, un edificio, una torre de alta tensión, etc.) y la lleve a destino. De allí surge su forma irregular. Cuando se produce el rayo se origina el trueno. La descarga eléctrica, aumenta bruscamente la temperatura del aire hasta miles de grados (25.000º C) y lo expande, dando lugar a ondas de presión que se propagan como ondas sonoras. Cuando esas ondas sonoras pasan sobre el observador, este percibe el ruido denominado trueno. La velocidad con que se propaga el sonido es un millón de veces menor que la de la luz de modo que siempre vemos primero la luz y luego escuchamos el sonido. Esta diferencia genera un método no muy preciso para estimar la distancia entre el rayo y el observador. Bastará contar la cantidad de segundos que pasan desde la luz provocada por la descarga y el trueno, que multiplicada por la velocidad del sonido (entre 330 y 340 m/s según la densidad del aire) darán la distancia buscada. 64 CAPÍTULO 3 Actividades 1) Analicen las siguientes situaciones: • levantar un objeto; 3 • acercar dos cuerpos electrizados con cargas del mismo signo; • tensar un arco. a) ¿Cómo es la variación de energía potencial en cada uno de estos casos? (indiquen si aumenta o disminuye). ¿Y el trabajo realizado por la fuerza interior del sistema? ¿Qué ocurre con la energía potencial, cuando dejamos caer el cuerpo, soltamos el arco, etc.? ¿Cómo es ahora el trabajo de las fuerzas del sistema? b) Partiendo de estos ejemplos establezcan, a modo de hipótesis, la relación entre el trabajo realizado por las fuerzas interiores (gravitatorias, eléctricas o elásticas) y la variación de energía potencial asociada al sistema. 2) Unan con flechas Energía cinética Energía que se transfiere de un cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. Potencial gravitatoria Se encuentra en las ondas sonoras como la del sonar o la voz. Energía calorífica Se obtiene del viento. Energía eléctrica Es la energía que poseen los cuerpos en movimiento. Energía química Se encuentra almacenada en el interior de la Tierra. Energía nuclear Se encuentra asociada a las reacciones químicas. Energía eólica Es la transportada por las ondas electromagnéticas. Energía radiante Se utiliza para producir electricidad en las centrales nucleares. Energía sonora Es la energía que tiene un cuerpo debido a su posición. Energía geotérmica Se genera en las centrales eléctricas. 65 3 La energía como capacidad de producir cambios Actividades 3) ¿Dónde está la energía? Fenómeno Antes Durante Después Combustión de una vela Combustión de la nafta Niño que se desliza por un tobogán Encendemos una lámpara eléctrica Arrojamos una piedra en un estanque y se produce una onda Cocinamos papas en una olla La luz del Sol incide sobre el suelo Disparamos un balín con un rifle de aire comprimido, en un campo de tiro Encendemos la televisión 4) Identifiquen y registren los estados y formas de la energía presentes en este dibujo. ¿Podrían identificar alguna energía alternativa en él? 66 CAPÍTULO Actividades 5) Identifiquen cuáles de los siguientes sistemas “producen” o “generan” energía y cuáles la “consumen” o la “emplean”. Fundamenten su respuesta. 3 3 6) La imagen nos muestra una manzana atravesada por una bala. Les propongo que analicen: a) ¿Qué energía tenía la bala antes de entrar a la manzana? ¿Cuál es el origen de la energía del proyectil? b) ¿Cómo será la energía de la bala luego de salir de la manzana? c) ¿Qué cambios produce el impacto de la bala en la manzana? ¿Qué formas de energía intervinieron? d) El impacto provoca la expulsión de fragmentos en diferentes direcciones. ¿Qué energía tienen los fragmentos? ¿cómo la adquirieron? 67 3 La energía como capacidad de producir cambios preguntas para revisar el capítulo ¿Qué es energía? ¿En qué época surgió y se desarrolló dicho concepto? ¿Cuáles son las formas más comunes de energía? ¿Cómo se utiliza? ¿Cómo se transmite? ¿De qué modo se obtiene? ¿Cuáles son sus principales fuentes? ¿De dónde sale la energía de las plantas? ¿De dónde sale la energía eléctrica? ¿Usamos energía en nuestras casas? ¿En qué situaciones, a lo largo de un día, consumimos energía? ¿Para qué usamos la energía? ¿Cómo obtenemos esa energía? ¿Cuánta energía consumimos en nuestras casas? ¿Cómo sabemos si consumimos mucha o poca energía? ¿Por qué hay que consumir menos energía? ¿Depende nuestro grado de bienestar de la cantidad de energía que consumimos? ¿Cómo ahorrar energía? ¿Qué hago yo y qué podría hacer para evitar el despilfarro de energía? ¿Cuánta energía consume un electrodoméstico concreto? ¿Qué es más despilfarrador, un termo eléctrico, otro de gas o uno que funciones con placas solares? ¿Todos los usos son igualmente despilfarradores? ¿En todas las casas se consume la misma energía? ¿Cuánta energía consume nuestra ciudad o nuestro país? ¿Y otros países? ¿Todos usamos la energía de la misma manera, consumimos lo mismo? para reflexionar… El uso de la energía nos reporta indudables beneficios, sin embargo, conlleva asociados problemas ambientales y sociales. Su producción afecta a todos los compartimentos del medio ambiente, desde la emisión de compuestos tóxicos a la atmósfera al ruido que generan las palas de los aerogeneradores. Actividades Les propongo que en su clase discutan el significado de las frases: “¡La mejor energía es la que no se consume!” “Es más barato ahorrar 1 kw. h que generarlo.” Otra cuestión a discutir es la relación entre el uso de la energía y la regla de las 3R: reutiliza los productos, reduce la cantidad de basura y recicla lo que vayan a tirar. 68 CAPÍTULO 4 Nuestro lugar en el Cosmos El universo en que vivimos es todo: el espacio y el tiempo, todas las formas de la materia y la energía....justamente fue una enorme liberación de esta última la que le dio origen hace unos trece mil setecientos millones de años. Los distintos modelos que han tratado de describir su origen han sido un reflejo de las teorías físicas más Vocabulario avanzadas de cada época. Fue recién en 1929 cuando el astrónomo y cosmólogo estadounidense Edwin Hubble Modelos: son ideas coherentes con establece en base a sus observaciones que los grandes un conjunto de observaciones, utiliobjetos del universo (las galaxias) se alejan unos de zadas para comprender un fenómeotros. Cuanto más lejos se encuentra una galaxia, a no específico, permitiendo realizar mayor velocidad se aleja de nosotros. La fórmula de la predicciones. Se presentan en geley es v/d = H, donde “H” es la llamada constante de neral como una imagen analógica Hubble, “v” la velocidad de alejamiento y “d” la distanque permite materializar una idea o cia. Este modelo matemático fue la piedra angular de concepto con simpleza para permiuna explicación que afirma que el universo se expande. tirnos imaginar lo que no podemos En los años cincuenta, George Gamov acuñó un nombre ver. para referirse al origen de nuestro Universo: Big Bang (gran explosión). Las progresivas mejoras al modelo de Big Bang configuran lo que hoy se conoce como el modelo cosmológico estándar. De acuerdo con este modelo, unos minutos después de la gran explosión el Universo solo contenía hidrógeno, helio y litio. Al cabo de cierto tiempo, se formaron las primeras estrellas, en las que se generaron nuevos elementos químicos, y más tarde aún, las estrellas se agruparon en galaxias. Como todas las cosas, las estrellas cambian, cumplen un ciclo donde las condiciones de inicio, determinan las del final. Antes y ahora, para las estrellas más grandes que el Sol, el proceso incluye una explosión a la que los astrónomos llaman supernova. Cada vez que ocurre este evento, los restos de la estrella se esparcen por toda la galaxia que la contenía. Buena parte de este material se fusiona con la materia primordial (hidrógeno) y se incorpora a las generaciones siguientes de estrellas, las que a su vez también explotan y de esta manera, contribuyen al enriquecimiento del contenido químico de las galaxias. La riqueza y complejidad química de diferentes regiones del Universo tiene ahí su origen. Si las supernovas no hubieran existido, hoy en día tampoco existirían planetas con substrato rocoso, ni agua, ni oxígeno, ni seres vivos. Pero no fue así, afortunadamente. 4 Nuestro lugar en el Cosmos Actividades 1) Sugiero que vean el video o lean el “Calendario Cósmico” (capítulo del libro El Cosmos, de Carl Sagan). 2) Los invito a construir un modelo que los ayude a comprender la expansión. Consideren que un elástico de 3 m de largo constituye el Universo y que media docena de broches de tender la ropa asumen el rol de galaxias. Sigan el siguiente procedimiento: • En su universo (elástico) de 3 m, fijen las seis galaxias (broches para ropa) donde deseen. • Elijan una galaxia como referencia. Podría ser la Vía Láctea, la galaxia en que vivimos. Indiquen su elección en la hoja de registro. • Midan la distancia que existe desde la galaxia de referencia a las otras cinco galaxias. Anoten sus observaciones en la tabla de registro. • Expandan su universo, estirando el elástico hasta que alcance unos cinco metros de longitud. Midan la distancia a la que ahora se encuentran las galaxias respecto a la que tomaron como referencia. Anoten sus observaciones. • Consideren que la expansión de su universo ocurrió en un segundo (esta cifra se elige para facilitar los cálculos). Calculen la velocidad con que se alejaron las cinco galaxias observadas respecto de la galaxia de referencia mediante: Velocidad = distancia recorrida / tiempo empleado es decir: v = (dfinal - dinicial) / tiempo de expansión. • Construyan la gráfica. Noten que mientras más alejada de la referencia esté inicialmente una galaxia, mayor será la velocidad de alejamiento. Es decir, la velocidad de alejamiento depende de la distancia inicial. Por esta razón la d inicial (variable independiente) se coloca en el eje de las abscisas y la velocidad v de alejamiento (variable dependiente) en el eje de las ordenadas. La gráfica obtenida es una línea recta, lo que indica que existe una proporción directa y que es posible construir un modelo matemático que ayude a la descripción del fenómeno en estudio. Calculen la constante, dividiendo el valor de cada v por el de cada d. • ¿Qué podemos concluir sobre el Universo en su conjunto a partir de los resultados obtenidos? Comenten especialmente el hecho de que todas estas galaxias parezcan alejarse de la nuestra. 70 CAPÍTULO 4 De modo que en nuestro Universo la materia no se distribuye de manera uniforme, sino que se concentra en lugares concretos como las galaxias (que muchas veces forman grupos). Si el Universo es por definición todo lo que existe (incluido el espacio) no puede estar expandiéndose dentro de nada. No tiene sentido verlo de ese modo. Quizás nuestro sentido común nos diga que todo lo que se expande tiene que “ganar sitio” en alguna parte. Pero las teorías vigentes en la actualidad permiten la existencia de un espacio que puede estar en expansión, aún siendo infinitamente grande, sin estar inmerso en otros espacios. Por lo tanto: el Universo no se expande en un espacio preexistente; es el espacio mismo el que está en expansión.... 4 Relato posible de los inicios de nuestro Sistema Solar Imaginen una gran nube fría y oscura que ha permanecido en el espacio durante varios millones de años; su composición es básicamente hidrógeno y algo de polvo. Muy cerca de ella, una estrella explota. La mayor parte del contenido estelar choca contra la nube de gas. Con el choque aparecen nuevos elementos químicos que se suman a los aportados por la ex estrella y a los existentes en la nube. Entre todos esos elementos, se halla el carbono, la base de la vida. La nube ahora comienza a contraerse y a rotar. De esta manera, la nube inicia una etapa turbulenta que acaba cuando la mayor parte de su material gravitó hacia su centro, donde se formó una estrella. Desde que la nube empezó a contraerse hasta que el Sol se “encendió”, no pasaron más de cien millones de años, un tiempo corto comparado con la edad del universo. 71 4 Nuestro lugar en el Cosmos La base astrofísica de este relato es la teoría de la condensación y la pueden encontrar fácilmente en páginas y libros de astronomía. Se estima en 4670 millones de años el tiempo trascurrido desde los sucesos que dieron origen al Sol y los planetas. Un fragmento de la nube molecular con mayor densidad colapsa debido a su gravedad. Este fragmento posee una rotación neta, colapsando en forma de disco en cuyo centro se dan las condiciones protoestelares. Mientras en el centro se forma una estrella, en eldisco protoplanetario los granos de polvo colisionan formando granos más grandes y rocas cada vez más grandes. Sugerencias Si buscan información sobre investigaciones actuales sobre la formación de nuestro Sistema Solar pueden comenzar visitando: http://red-estelar.webcindario.com/nuevos-modelos-de-formacion-del-sistema-solar.html Pueden ampliar visitando los siguientes sitios: Primeros pasos de la formación del Sistema solar http://biogeoalarcos.wikispaces.com/file/view/Presentaci%C3%B3n_Tema1.swf http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/114/htm/elsolyla.htm http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/062/htm/familia.htm http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/38/html/encuen.html http://www.ejoven.net/dentro/recursos/astronomia/sistemasolar.swf 72 CAPÍTULO 4 Breve presentación de dos sistemas cosmológicos Discutir si la tierra era o no el centro del universo ha ocupado durante siglos al ser humano, muy dado siempre a creerse el “ombligo del mundo”. ¿Qué significan los conceptos geocentrismo y heliocentrismo? (Recuerden que mencionamos los sistemas de referencia.) La teoría geocéntrica (geo significa “tierra”) afirma que la Tierra está en el centro del Universo y los planetas, incluido el Sol, giran alrededor de ella. Así aparece formulada por Aristóteles, considerado el filósofo más sabio de la Antigüedad y referente ineludible para todas las ciencias naturales. 4 La mejor explicación de esta teoría se encuentra expuesta en el Almagesto, cuyo nombre proviene del árabe Al-Majisti (“El Más Grande”), un tratado de astronomía escrito por Claudio Ptolomeo (85-165 a.C.) Esta obra contiene la mejor compilación astronómica de su tiempo y es el mejor catálogo estelar de la Antigüedad. Fue utilizado en Europa hasta finales de la Edad Media. Su redacción se basa en un antiguo catálogo –hoy perdido– realizado unos doscientos años antes por Hiparco, un griego nacido en Nicea (actual Turquía). Este catálogo era la explicación científica del movimiento de los astros, la representación geométrica del Sistema Solar para aquella época. Esta explicación, propuesta por Ptolomeo permitía predecir y dar razón de los movimientos observables de los cinco planetas que se conocían en ese momento, así como los del Sol y la Luna, mientras mantenía a la Tierra en una posición centrada y estática. Durante mucho tiempo la explicación dada por Ptolomeo fue considerada como válida. Aún cuando tiempo antes había quienes ubicaban al Sol en una posición central, tal el caso de Heráclides de Ponto o de Aristarco de Samos (de este último se conserva la obra De la magnitud y la distancia del Sol y de la Luna, donde propone el heliocentrismo, o sea el Sol en el centro.) Con el correr del tiempo, el vasto conjunto de datos aportados por las observaciones astronómicas y el desarrollo de procesos matemáticos más precisos, empezaron a resquebrajar el sistema geocéntrico que había dominado el pensamiento cosmológico por más de 1400 años. Era la hora de Copérnico. Sus aportes se resumen en el libro Las revoluciones de las esferas celestes (De Revolutionibus Orbium Coelestium). Nicolás Copérnico (1473-1543) buscó una explicación más racional que la que su época proporcionaba respecto al orden universal (sistema Aristotélico-Ptolomeo-Tomista). Ya en 1514, su teoría postulaba un sistema de esferas que giraban alrededor del Sol en vez de la Tierra, e introducía a la Tierra como planeta, rotando sobre sí mismo. Demostró además, en forma muy detallada, cómo su sistema podría explicar todas las observaciones astronómicas. En resumidas cuentas, Copérnico postulaba lo siguiente: La Tierra no es el centro del Universo, ese lugar lo ocupa el Sol. La Tierra rota sobre su eje, mientras que, como el resto de los planetas, gira alrededor del Sol. La distancia entre los planetas es enorme. Por supuesto que muchas de sus observaciones y aseveraciones fueron imprecisas (el Sol no es el centro del Universo, sino solo del sistema al que pertenece nuestro planeta); sin embargo, con su planteamiento sembró la semilla en otros pensadores, quienes, como Galileo, contestaron a múltiples preguntas que rebasaban la capacidad de respuesta que poseían Copérnico y sus contemporáneos: ¿cómo es posible que la Tierra gire sin producir por ello fuertes corrientes de aire? ¿Cómo, por la misma razón, no se desvían los cuerpos en su caída? Los efectos de la llamada Revolución 73 4 Nuestro lugar en el Cosmos Copernicana no se dieron de forma inmediata, tardaron algún tiempo en evidenciarse y recibieron el aporte de otros científicos: de Johannes Kepler, quien resuelve el problema de la posición de los planetas, de Tycho Brahe, que aporta sus registros observacionales y sus mediciones, de Galileo Galilei quien, con el telescopio, abre el velo de un universo hasta el momento desconocido, y finalmente, de Isaac Newton que, con la gravedad, encuentra la causa del movimiento planetario. Hasta la Edad Moderna, los principales modelos o sistemas cosmológicos eran geocéntricos o heliocéntricos. Sistema geocéntrico Sistema heliocéntrico 74 CAPÍTULO Actividades 1) Les propongo comparar la postura de cada uno completando la siguiente tabla Postura frente a Sistema Geocéntrico Sistema Heliocéntrico 4 4 Posición de la Tierra Posición del Sol Posición de las estrellas Explicación del movimiento del Sol Explicación del movimiento de la Tierra Explicación de la sucesión de los días y las noches 2) Planteen las respuestas a las siguientes cuestiones: a) ¿Cómo se explica la gran aceptación del modelo geocéntrico y su persistencia a lo largo de más de veinte siglos? b) ¿Qué fenómenos cotidianos parecen apoyar la teoría de Ptolomeo (geocéntrica)? c) Señalen los principales aportes de Galileo en defensa del sistema Heliocéntrico d) ¿Por qué el descubrimiento, por parte de Galileo, de las fases del planeta Venus sirvió para probar la veracidad de la teoría de Copérnico? e) ¿Ocupa la Tierra un lugar privilegiado en el universo? f) Si la Tierra se mueve, ¿no debería quedarse retrasado un objeto que cae hacia el suelo? ¿no deberíamos ver que la posición relativa de las estrellas se modifica al irse desplazando la Tierra a lo largo de su trayectoria? Planteen posibles respuestas para cada uno de dichos argumentos. 3) Busquen y analicen información sobre algunos aspectos de la vida y la obra de Tycho Brahe, Johannes Kepler, Galileo Galilei e Isaac Newton. Les recomiendo que miren el capítulo III “La armonía de los mundos”de la serie Cosmos de Carl Sagan o lo lean del libro. 4) Realicen un reporte respecto de las concepciones y los conocimientos astronómicos que tenían los pueblos originarios de América. 75 4 Nuestro lugar en el Cosmos Sugerencias Si desean más información pueden consultar el libro virtual La Morada Cósmica del Hombre de Marco Moreno Corral, que se encuentra alojado en http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ ciencia/volumen3/ciencia3/155/htm/lamorada.htm. Presten especial atención a los capítulos 4 y 5 del libro. Si prefieren la ayuda de un video, sugiero ingresen a: http://educativa.catedu.es/44700165/aula/ archivos/repositorio//3750/3988/html/2_la_revolucin_copernicana_el_heliocentrismo.html Como definen los astrónomos a los “errantes” El vocablo griego planeta, que significa “errante”, se usaba para identificar a aquellos astros del cielo nocturno que a simple vista mostraban una trayectoria diferente a la del resto, y cuya aparente quietud generó el mote de “estrellas fijas”. En esta categoría se incluyeron en primera instancia, al Sol, la Luna, Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno. Vivimos en un planeta, nuestra civilización ha enviado sondas a otros planetas, los científicos estudian muestras del suelo de otros planetas, los alumnos hacen maquetas sobre los planetas, etc. Vocabulario Planeta: es un cuerpo celeste que está en órbita alrededor del Sol, tiene una masa suficiente para que su autogravedad supere las fuerzas de rigidez del cuerpo, adquiriendo una forma por equilibrio hidrostático (cuasi-redondo), y haya limpiado la vecindad entorno de su órbita. Planeta enano: es un cuerpo celeste que está en órbita alrededor del Sol, tiene una masa suficiente para que su autogravedad supere las fuerzas de rigidez del cuerpo, adquiriendo una forma por equilibrio hidrostático (cuasi-redondo), no haya limpiado la vecindad entorno de su órbita, y no sea un satélite. Cuerpos Menores: son todo el resto de los objetos, excepto los satélites. 76 Pero… ¿Qué es un planeta? Es interesante ver la evolución de la definición del concepto de planeta como un ejemplo de cómo los conceptos científicos se van modificando con el descubrimiento de nuevos fenómenos naturales, conceptos que se van haciendo más complejos y más precisos. Con la teoría de Copérnico, la Tierra adquiere estatus de planeta y lo pierden el Sol y la Luna. En 1781 se agrega Urano y luego otros cuerpos menores que por aquella época se consideraron planetas. En 1846 se descubre Neptuno y hacia 1851 se consideraba que el Sistema Solar tenía 23 planetas (por los nuevos asteroides que se habían descubierto). En 1852 los asteroides pierden el carácter planetario. Si buscan en un libro publicado hace más de 40 años pueden encontrar la siguiente definición para planeta: “Cuerpo que gira alrededor de una estrella, brilla al reflejar la luz estelar y tiene un tamaño mayor que el de un asteroide”. Hace apenas algunos años, el 24 de agosto de 2006 en la ciudad de Praga (República Checa) un grupo de astrónomos discutía acaloradamente las condiciones que un astro debe cumplir para ser un planeta. La Unión Astronómica Internacional redefinió los componentes de nuestro Sistema Solar y determinó la siguiente clasificación en tres categorías: planetas, planetas enanos y cuerpos menores. CAPÍTULO 4 Con esta definición, el Sistema Solar queda (provisoriamente) de esta forma: Planetas: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno Planetas enanos: Ceres, Plutón, Eris, Haumea, Makemake. A estos pronto se sumarán objetos del Cinturón de Asteroides y del Cinturón de Kuiper como por ejemplo: Sedna, Vesta y otros. Cuerpos menores del Sistema Solar: asteroides, cometas y objetos transneptunianos. De esta manera, disponemos de una definición basada en criterios científicos que deja a nuestro Sistema Solar conformado por: una estrella, ocho planetas, decenas de planetas enanos y millones de cuerpos menores (asteroides y cometas). 4 A los ocho planetas por sus características y posición se los podría dividir en dos grupos: Planetas densos o terrestres: Mercurio, Venus, Tierra y Marte, situados en la parte interna del Sistema Solar, zona que comprende desde la órbita de Mercurio hasta el cinturón de asteroides. Tienen densidades entre tres y cinco gramos por centímetro cúbico. Presentan núcleos inestables y fenómenos de fisión radiactiva, habiendo desarrollado suficiente calor como para generar vulcanismo y procesos tectónicos importantes. Algunos aún se encuentran activos como en la Tierra y Venus. Planetas gigantes gaseosos: Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, localizados en la parte externa del Sistema Solar, son planetas que poseen densidades pequeñas, estando constituidos básicamente por hidrógeno y helio. Presentan además, un pequeño núcleo y una gran masa de gas en convección permanente. Poseen anillos formados por pequeñas partículas que los orbitan. Entre las órbitas de Marte y Júpiter se encuentra el mayor cinturón de asteroides del Sistema Solar, dividiendo los planetas menores de los gigantes gaseosos. Se conoce como cinturón principal para diferenciarlo del Cinturón de Kuiper. Los asteroides son pequeños cuerpos celestes cuyos diámetros en general son inferiores a los 1000 kilómetros, giran en torno al Sol formando un “cinturón”. El total de la masa dispersa por todos los asteroides no llega al 4 % de la masa de la Luna Más allá de Neptuno, a miles de millones de kilómetros de nuestro planeta, el Sistema Solar está formado por un “cinturón” de cuerpos pequeños y helados compuestos por hielo, roca y polvo. Los astrónomos lo bautizaron “Cinturón de Kuiper” en honor al astrónomo holandés Gerard Kuiper, aunque bien podría llamarse cinturón de Fernández ya que el astrónomo uruguayo Julio Fernández tuvo similares méritos. Una nube de estructura esférica, envuelve a todo el Sistema Solar. Su origen, según estiman los astrónomos, es consecuencia de la gravedad de los planetas gigantes (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) y recibe el nombre de Nube de Oort. Los objetos pequeños que se formaron en las cercanías de los planetas gigantes fueron barridos hacia fuera del Sistema Solar a causa de las fuerzas gravitacionales en las primeras etapas de la conformación del este sistema, y quedaron en esta envoltura en forma más o menos esférica. En nuestro sistema, las interacciones más importantes entre los astros son de dos tipos: gravitatorias y radiactivas. Como consecuencia de las primeras, todos los componentes del sistema giran en torno al Sol. La radiación solar alcanza a todos los componentes del sistema que reflejan una parte, y absorben el resto. ¿Sabías qué...? Los objetos de mayor masa (más “pesados”) producen una atracción gravitacional más grande que los objetos menor masa (más “livianos”). El objeto menos masivo siempre está en órbita alrededor del de más masivo y el Sol, es lejos el objeto más pesado del Sistema Solar acaparando el 99,8 % de la masa de nuestro sistema. 77 4 Nuestro lugar en el Cosmos Lectura Actividad Breve historia de un cuerpo no tan menor Busquen identificar las diferencias entre planeta y planeta enano; cometa y asteroide; meteorito y objetos Apolo. El último día de 1975 el astrónomo Mario Cesco desde el Complejo Astronómico “El Leoncito”, en la provincia de San Juan, descubría el asteroide 11441, ubicado a 2,56 unidades astronómicas y con un periodo orbital de 4,10 años. Años más tarde, en 2012 y a pedido del decano de la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas de la Universidad de La Plata, el astrónomo Adrián Brunini, de la Unión Astronómica Internacional, lo bautizó Anadiego. Un homenaje póstumo a la estudiante de tercer año de la carrera de Astronomía desaparecida en “el bosque” de La Plata el 30 de setiembre de 1976 (sus restos aparecieron en abril de 2012 en una fosa común del cementerio de Avellaneda). Actividad Ana Teresa Diego militaba en la Juventud Comunista y había nacido en Bahía Blanca (provincia de Buenos Aires). Decidió estudiar Astronomía en La Plata aún cuando había ganado una beca para hacerlo en Europa. La resolución del comité de designación de cuerpos menores (Committee on Small Body Nomenclature) por la cual 11441 pasa a tener su nombre, la pinta de cuerpo entero: “Fue una formidable estudiante en el Observatorio Astronómico de La Plata en la década de 1970. También fue una persona con un fuerte compromiso social quien dio su vida en defensa de la libertad”. Hay decenas de cuerpos menores descubiertos y bautizados desde Argentina. Los invito a confeccionar una lista comenzando por Angélica, descubierto por Hartmann en 1921 y al que le impuso el nombre de su esposa. http://www.youtube.com/watch?v=sFLNyNu2ciE Ana Teresa Diego de como plutón dejó de clasificarse como planeta El 5 de enero de 2005 se descubrió un objeto de 2326 km de diámetro que orbita alrededor del Sol. Se lo llamó provisoriamente UB313. Si Plutón es un planeta, ¿por qué no ha de serlo UB 313? Si UB 313 no es un planeta, ¿por qué lo es Plutón, que es más pequeño? Estas y otras preguntas mantuvieron ocupados a los astrónomos a punto tal de revisar la definición de planeta, iniciándose el proceso de degradación de Plutón a planeta enano y de la aparición de una nueva clasificación de los cuerpos del Sistema Solar. No es casual que se aceptara como nombre de UB313 el de Eris, la diosa griega de la discordia. El por qué Plutón dejó de ser un planeta es un problema de clasificación. Su órbita es muy elíptica (alargada): algunas veces se halla más cerca del Sol que Neptuno y otras más lejos, atravesando el Cinturón de Kuiper (que está lleno de cuerpos menores), de modo que no cumple con la condición impuesta por la nueva clasificación de haber limpiado la vecindad de su órbita 78 CAPÍTULO de otros cuerpos. Respecto a su tamaño, no es gigante, pese a estar en la región de los gigantes (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno), es mucho más chico que los planetas terrestres y su composición muy diferente (gases congelados). No es la primera vez que la ciencia se rectifica. En enero de 1801 el monje Giuseppe Piazzi desde el sur de Italia descubre a Ceres, que en principio es considerado un nuevo planeta. Su categoría duró poco; con el descubrimiento de Pallas (1802), Juno (1804) y Vesta (1807) Ceres deja de ser llamado planeta y se lo denomina, junto al resto de estos objetos, como “planeta menor” o asteroide. Ahora es nuevamente un planeta…enano. 4 Actividad ¿Qué condición debe cumplir un cuerpo del Sistema Solar para ser considerado “planeta enano”? ¿Qué características tienen Haumea y Makemake? 4 Nos sirven estas cuestiones para mostrar que todo en ciencia es provisorio. Recientemente se han incorporado dos planetas enanos (Haumea y Makemake) y seguramente pronto habrá una nueva lista de candidatos. Tal vez dentro de un tiempo haya que revisar estas definiciones y adecuarlas a nuevos descubrimientos. El Dr. Gonzalo Tancredi, nacido en Uruguay, planteó la nueva definición de planeta, que le quita a Plutón esa categoría y que tiene repercusiones en el ámbito educativo y cultural (Si les interesa ampliar pueden revisar el contenido de: http://astro.cas.cz/nuncius/appendix.html#tancredi y www. relea.ufscar.br/num4/A4_n4.pdf) en la familia SolaR hay nUmeRoSoS SatÉliteS La palabra satélite proviene del latín satelles y su significa “ayudante”, “sirviente” o “guardián”. Fue usada por primera vez por el astrónomo Johannes Kepler, para referirse a los astros que giran alrededor de otros astros. Así, la Luna es nuestro satélite tanto como la Tierra es el satélite del Sol, y el mismo Sol es satélite del centro de la galaxia, alrededor del cual da vueltas desde que se formó. Vocabulario Un satélite es un cuerpo que se encuentra en caída libre alrededor de otro por causa de la gravedad; la misma causa que hace caer una manzana del árbol es la que hace caer a la Luna o salir de su trayectoria en línea recta, de modo que una órbita es una especie de caída perpetua. Los ocho planetas del Sistema Solar, los cinco planetas enanos, los Asteroides y el resto de los cuerpos menores son satélites del Sol, ya que giran a su alrededor; a las lunas que dan vueltas alrededor de otros planetas, también se los denomina satélites . De esta manera, la Tierra tiene una luna (la Luna), Marte tiene dos lunas (de nombres Fobos y Deimos), mientras que Júpiter tiene no menos de 63. En cambio Venus y Mercurio, no tienen ninguna. Nuestra luna es el quinto satélite más grande del Sistema Solar y el más cercano al Sol. Algunos asteroides (esos pequeños planetas que en su mayoría se hallan a mitad de camino entre Marte y Júpiter), también tienen una luna diminuta; por ejemplo el asteroide Herculina, cuyo diámetro es apenas de 217 km, tiene un satélite con un diámetro de 50 km. También los planetas 79 4 Nuestro lugar en el Cosmos Lectura El experimento imaginario de Newton Isaac Newton creó un experimento imaginario para explicar cómo un objeto puede permanecer en órbita mientras cae hacia la Tierra. Imaginó un cañón que disparaba balas esféricas en la cima de una montaña muy alta. En cada bala actuaban dos fuerzas: la fuerza de la explosión y la fuerza de gravedad. La combinación de las dos fuerzas hace que las balas viajen en arcos. Si las balas fueran disparadas con más y más energía, alcanzarían el suelo cada vez más lejos del cañón. Si la bala del cañón fuese disparada con la energía suficiente, caería completamente alrededor de la Tierra y regresaría a su punto de partida completando una órbita. enanos como Plutón tienen satélites, que en su caso son cinco: Caronte, descubierto en 1978, Nix e Hydra, descubiertos en mayo de 2005 y dos satélites con denominación provisional: P4 (descubierto en julio de 2011) y P5 (descubierto en junio de 2012). Hasta al lejano y enano Eris se le conoce uno: Dysnomia. Hay estrellas satélites de otras estrellas, como Sirio, la estrella más brillante del cielo, que aunque a simple vista parezca una sola, vista con un pequeño telescopio se puede comprobar que se trata de un par de estrellas girando una alrededor de la otra. Y el ejemplo más cercano a la Tierra: Alfa Centauri, un sistema estelar triple, en el que el tercer miembro llamado Próxima Centauri (una pequeña estrella roja) es satélite de las otras dos. Desde el telescopio de la Silla, en Chile se ha descubierto recientemente que también hay un planeta orbitando a la estrella B de este sistema. Incluso los astrónomos han encontraron galaxias satélites de otras galaxias. Lunas, planetas, estrellas y galaxias pueden comportarse como satélites, y cuando eso sucede, se dice que son satélites naturales. Pero desde que el hombre ha construido artefactos que puede colocar en movimiento alrededor de la Tierra o bien de otros cuerpos, se dice que también existen satélites artificiales. El primero de ellos perteneció a la Unión de Repúblicas Socialistas Soviéticas (URSS), se llamaba Sputnik y su lanzamiento se realizó el 4 de octubre de 1957. El segundo orbitó meses más tarde, lanzado por los Estados Unidos. Se llamaba Explorer 1, y aportó el descubrimiento de los cinturones de radiación de la Tierra. Otro satélite famoso fue el Lunik III que el día 7 de octubre de 1959 fotografió por primera vez la cara oculta de la Luna. Actividad ¿Qué satélites ha puesto en órbita nuestro país? ¿Con qué finalidad? 80 Desde aquel entonces hasta hoy, se han enviado satélites artificiales alrededor de nuestro planeta, otros planetas e incluso ciertas lunas ubicadas en torno a los planetas gigantes; navegando alrededor del Sol; o viajando hacia los confines del Sistema Solar (Voyager I llegó en 2012 a completar esta hazaña). CAPÍTULO 4 Vocabulario Una descripción con más detalle diría que un satélite artificial es un conjunto de instrumentos sostenido por un armazón, el que no precisa ser demasiado resistente; de esa estructura sobresalen aletas, paneles, antenas y artefactos de insólitas formas, dándole al satélite un aspecto extraño; en realidad, la coraza exterior es solo una protección para intentar evitar que un micro meteorito lo impacte y dañe algún aparato, lo que tempranamente lo convertiría en chatarra espacial. 4 Los instrumentos son muy variados: cámaras fotográficas, filmadoras, telescopios, sensores de distinta especie, etc. Para que funcionen, toman energía eléctrica de una simple pila, o bien la adquieren transformando la luz solar que recogen con sus paneles solares que apuntan siempre al Sol convirtiendo la luz en electricidad. Actividades Pensando la forma correcta de hacer una representación de nuestro Sistema Solar a escala 1) Para poder componer un modelo del sistema Tierra-Luna, podría comenzarse eligiendo objetos que puedan representar a nuestro planeta y su satélite. Una posibilidad bastante buena nos la brindan un balón de básquet profesional y una pelota de tenis. Aceptando esta proporción, surge la pregunta ¿A qué distancia debo colocar la pelota de tenis del balón de básquet para que representen el sistema Luna-Tierra? ¿Qué imaginan? ¿Pueden estimar una distancia? Si miden el diámetro de la pelota de básquet, obtendrán unos 24 cm, que representan los 12 756 km de nuestro planeta. Como la Tierra y la Luna están separadas en promedio por 384 000 km, una simple proporción nos da el resultado: 722,48 cm. Para que el modelo sea correcto la pelota de tenis debe separarse más de 7 m de la pelota de básquet. Si buscaran componer un modelo Sol-Tierra y eligieran la pelota de básquet para representar el Sol, nuestro planeta sería apenas una pequeña cuenta de collar ¿Pueden estimar donde deberán ubicarla para respetar la misma escala de tamaños y distancias? Para que puedas comprender las relaciones de tamaños y de distancias, les sugiero analizarlas por separado. Pueden ver una comparación de tamaños en el video que encontrarán en http://www.youtube.com/watch?v=jyhT2v5DMwU o realizar un modelo teniendo en cuenta que reducidos a centímetros, los diámetros serían los siguientes: Sol Mercurio Venus Tierra Marte Júpiter Saturno Urano Neptuno 139 cm 0,5 cm 1,2 cm 1,3 cm 0,7 cm 14,3 cm 12,0 cm 5,0 cm 4,9 cm Les propongo construir un modelo a escala teniendo en cuenta solo las distancias. Pueden usar desde cuerdas hasta rollos de papel higiénico, y una cinta métrica de muchos metros. La vereda de la escuela, una plaza o el campo de deportes, pueden ser el escenario que elijan. 81 4 Nuestro lugar en el Cosmos Actividades Clavando estacas en la ubicación de cada planeta o ubicando a un compañero (que asuma el rol de cada planeta) en la posición adecuada, la escala irá tomando forma. En cualquier caso, al construir el modelo, queda en evidencia las enormes distancias en comparación con nuestros desplazamientos cotidianos y cómo está distribuido el espacio ocupado por nuestro Sistema Solar. Al incluir los planetas enanos y el Cinturón de Kuiper, se genera la idea de un sistema solar más extenso y con más componentes que los que habitualmente mencionamos. Si consideramos la distancia desde la Tierra al Sol como unidad y el diámetro de la Tierra como 1, se puede confeccionar una tabla comparativa como la siguiente: Unidad astronómica = 149.597.870.691 ± 30m = 149, 598 × 106 km Planeta Distancia comparada Radio comparado Distancia en km Algunas distancias a escala, posibles de representar Mercurio 0,39 0,38 57.910.000 0,39 m 0,78 m Venus 0,72 0,95 108.200.000 0,72 m 1,44 m Tierra 1 1 149.600.000 1m 2m Marte 1,5 0,53 227.940.000 1,5 m 3m Júpiter 5,2 11 778.330.000 5,2 m 10,4 m Saturno 9,5 9 1.429.400.000 9,5 m 19 m Urano 19,2 4 2.870.990.000 19,2 m 38,4 m Neptuno 30,10 4 4.504.300.000 30,1 m 60,2 m Planetas enanos Ceres 2,77 0,074 413 000.000 2,77 m 5,54 m Plutón 39,5 0,18 5.913.520.000 39,5 m 79 m Haumea 43,34 0,11 6.501.000.000 43,3 m 86,67 m Makemake 45,79 0,15 6.868.500.000 45,79 m 91,6 m Eris 67,67 0,19 14.400.000.000 67,67 m 135,3 m del disco solar Borde 82 Júpiter Saturno Tierra Venus Urano Marte Neptuno Mercurio Dimensiones relativas del sol y los planetas. En esta escala el diámetro del sol vale 19 cm. CAPÍTULO 4 Actividades Si arman un modelo grande, tienen la oportunidad de experimentar los tiempos que requiere un viaje interplanetario. Caminen desde el Sol a cada planeta con velocidad constante y midan los tiempos con un cronómetro; podrán hacer un registro de tiempos y luego comparar. 4 2) En enero de 2006, la NASA lanzó la misión New Horizons con destino a los confines del Sistema Solar y en busca de saber más sobre Plutón. Es una sonda rápida, sin embargo al 23 de Julio de 2012 todavía le faltan 8,68 unidades astronómicas para llegar a Plutón (ver http://pluto. jhuapl.edu/mission/whereis_nh.php). Se espera que llegue a mediados de 2015. Si gustan de los cálculos podrían averiguar: a) ¿Qué velocidad lleva? b) ¿Cuántos kilómetros ya ha recorrido la sonda? c) ¿Cuántos le faltan para llegar al objetivo? ¿Cuantos días faltan para que eso ocurra? A mediados de 2012, la sonda Voyager (viajero) alcanzó los límites de nuestro Sistema Solar. El artefacto lanzado por la NASA en 1977, se encuentra (al momento de escribir este libro) a unos 18.000 millones de kilómetros del Sol. Aunque parezca increíble, la sonda, todavía es capaz de enviar datos a la Tierra. Gracias a ello, los científicos han determinado que la sonda está superando la frontera del Sistema Solar. Para pensar: si a sonda Voyager I tardó dos años en llegar a Júpiter ¿Cuánto pudo tardar en llegar a Saturno? ¿Y a Neptuno? ¿Y a la órbita de Eris? ¿Es más rápida o más lenta que la sonda Nuevos Horizontes? 3) Les propongo una forma de vivenciar cómo son las distancias en el Sistema Solar, solo necesitan una cinta métrica de 30 o más metros y la ayuda de varios de tus compañeros. Si once de ellos asumen el rol de Mercurio, Venus, Tierra Martes, Ceres, Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno, Plutón y Eris, ubicados según la distancia propuesta en la columna derecha de la tabla anterior, tendremos una representación del Sistema Solar próximo. Si cada uno de los “componentes” del sistema adopta la posición de rango (agachados con las maños en las rodillas) el resto podrá saltarlos desde Mercurio hasta Eris notando los cambios de distancia entre salto y salto. Nota: Los chicos en posición de rango deberán tener siempre el mentón pegado al pecho. Quien salte deberá apoyar sus dos manos en el centro de la columna de su compañero (preferentemente sobre su zona lumbar), sin sujetarlo, ni apretarlo. También deberán abrir bien las piernas con el fin de no lastimar a su compañero durante el salto. 83 4 Nuestro lugar en el Cosmos Las distancias entre los cuerpos del Sistema Solar, comparadas con sus tamaños, son realmente abrumadoras. La mayor parte del espacio interplanetario esta vacío. Utilizando la luz para medir distancias Nuestra experiencia viajera cotidiana se relaciona con cubrir la distancia que separa nuestra casa de la escuela (o del club o al lugar de trabajo). De unos centenares de metros a algunos kilómetros recorridos a pie, en bicicleta, moto, micro, auto, etc. En ocasiones especiales podemos desplazarnos en auto algunos centenares de kilómetros o en avión para recorrer varios miles de kilómetros. Si queremos comprender las distancias astronómicas, nuestra experiencia no nos sirve. Si utilizamos una escala donde el Sol tenga el tamaño de una naranja, la estrella más cercana, Próxima Centauri sería otra naranja a 4000 km de distancia. Las distancias son tan grandes que debemos recurrir a unidades propias de la astronomía. Comencemos estableciendo algunas relaciones útiles. Pensemos. El planeta sobre el que estamos parados mide 12.734 km de diámetro, dar una vuelta al mundo implicaría recorrer unos 40.005 km. Desde Ushuaia, en nuestro extremo sur, hasta La Quiaca, en la frontera norte, hay más de 5.000 km, un viaje imaginario a 100 km por hora (sin paradas, descansos, etc.) requeriría más de dos días. La vuelta al mundo a esa velocidad y condiciones insumiría casi 17 días, 8,5 veces más que el tiempo para unir Ushuaia y La Quiaca. Un Boeing 737-700 de Aerolíneas Argentinas tiene una velocidad crucero de 833 km/h; si tuviera que unir Ushuaia con la Quiaca tardaría más de 6 horas. Para desplazarse una distancia equivalente a una vuelta a nuestro planeta necesitaría dos días. Y si con este avión pudiéramos viajar una distancia similar a la que nos separa del Sol (150.000.000 km) demandaría un tiempo de 7.503 días, unos veinte años y medio. Para la ciencia contemporánea, la luz viaja en el vacío a la mayor velocidad posible: 300.000 km/s; comparada con ella, el auto de nuestro ejemplo se desplaza a razón de ¡0.0278 km por segundo! mientras que nuestro avión de línea de bandera lo hace a 0, 231 km por segundo. Es decir, la luz se mueve 10.800.000 veces más rápido que el auto y 1.296.512 veces más rápido que nuestro avión. Siendo las distancias entre cuerpos celestes enormemente grandes, los astrónomos hablan de distancias en términos de cuánto tiempo le demanda a la luz recorrerla: En un segundo recorre 300.000 km. En un minuto recorre 300.000 km x 60 segundos = 18.000.000 km. En una hora recorre 18.000.000 km x 60 minutos = 1.080.000.000 km. En un día recorre 1.080.000.000 km x 24 horas = 25.920.000.000 km. En un año recorre 25.920.000.000 km x 365 días = 9.460.800.000.000 km, a esta distancia la conocemos como año luz. 84 CAPÍTULO Actividades 1) Si pusiéramos en marcha un reloj cuando la luz sale del Sol, los invito a calcular el tiempo transcurrido para alcanzar la órbita de cada uno de los planetas sabiendo que en Mercurio marca 3 minutos y 12 segundos, mientras que en la Tierra 8 minutos y 18 segundos: Mercurio Venus 00:03:12 La Tierra Marte Júpiter Saturno Urano 4 4 Neptuno 00:08:18 2) Para seguir calculando: a) ¿Cuánto tarda la luz del Sol reflejada por la Luna, en llegar a la Tierra si está separada de esta por 384.000 km? b) ¿A qué distancia de la Tierra está la galaxia llamada Andrómeda, si su luz tarda en llegarnos unos 2 millones de años? c) Una nave espacial que viajara a una velocidad de 80.000 km/s, ¿cuánto tardaría en llegar a la estrella Sirio que se encuentra a 6 años luz de distancia? d) Para cruzar de un extremo a otro nuestra galaxia, la luz emplea 100.000 años ¿De cuantos millones de km se trata? Distancias cósmicas En la vida diaria usamos el centímetro, el metro y el kilómetro para medir distancias. La Tierra es relativamente pequeña y su tamaño se presta para emplear estas unidades sin dificultad. En el espacio, en cambio, las distancias son tan grandes; incluso las distancias más pequeñas que los metros y los kilómetros resultan muy incómodas. La luz en el vacío siempre viaja a la misma velocidad: 300.000 kilómetros por segundo. Esta velocidad constante nos proporciona un patrón conveniente para medir distancias grandes. En un segundo la luz recorre 300.000 kilómetros, por lo que esta distancia podría llamarse un segundo luz por analogía con los años luz. La Luna se encuentra aproximadamente a 1 segundo luz de la Tierra. Luna 1 segundo-luz Sol 8 minutos-luz Confines del Sistema solar 6 horas-luz Alfa del Centauro Sistema solar 4,2 años-luz Centro Galáctico 00 1 .0 00 al 30.000 años-luz Galaxia de Andrómeda 2 millones de años-luz 85 4 Nuestro lugar en el Cosmos cUeStioneS paRa penSaR, haceR y ampliaR SoBRe el SiStema SolaR las fases de los planetas Las posiciones relativas de los planetas en el Sistema Solar ocasionan que no solo la Luna nos muestre diferentes formas según la posición relativa entre ella, la Tierra y el Sol; también ocurre esto con los planetas más cercanos al Sol: Mercurio y Venus. El caso de Venus es el más interesante para describir ya que su mayor o menor cercanía de nuestro planeta dota a las fases de Venus de una particularidad: el diámetro del planeta es desigual en las distintas fases. Cuando se lo ve como una delgada hoz, esta tiene un diámetro mucho mayor que el disco entero. La distancia media de Venus al Sol es de 108 millones de km, y la de la Tierra es de 150 millones de km. De modo que la distancia más corta es la diferencia, es decir, 42 millones de km, y que la más grande será igual a la suma o sea 258 millones de km. La variación de distancias y de la posición relativa respecto a nuestro planeta hace que Venus no alcance su mayor brillo cuando es visible como un disco entero, ni tampoco cuando su diámetro es máximo, sino en una fase intermedia, en la que brilla 13 veces más intensamente que Sirio, la más brillante de todas las estrellas del cielo. Actividad ¿Si estuvieran en la superficie de Marte contemplando el cielo, la Tierra presentaría fases? Si les interesa curiosear, sugiero ingresen a la siguiente página: http://www.fourmilab.ch/cgi-bin/ Earth utilicen la opción traducir esta página. Compartan los resultados con los compañeros. analizando una tabla de datos Tabla comparativa de algunos objetos del Sistema Solar respecto a la Tierra Diámetro ecuatorial Masa Radio orbital Período orbital Mercurio 0,382 0,06 0,38 0,241 Venus 0,949 0,82 0,72 0,615 Tierra 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 0,11 Planeta Período de rotación 58,6 -243 Satélites Anillos No No No No 1 No Marte 0,53 1,52 1,88 1,03 2 No Júpiter 11,2 318 5,20 11,86 0,414 63 Si Saturno 9,41 95 9,54 29,46 0,426 62 Si Urano 3,98 14,6 19,22 84,01 0,718 27 Si Neptuno 3,81 17,2 30,06 164,79 0,671 13 Si Planeta enano 86 Ceres 0,076 0,00016 No No Plutón 0,180 0,002 39,44 2,76596 247,700 4,599 -6,38 0,378 4+C No Eris 0,235 0,0028 67,6681 557,000 0,3? 1 No CAPÍTULO Los valores negativos del período de la rotación indican que el planeta gira en la dirección opuesta a su órbita alrededor del Sol. Esto se conoce como rotación retrógrada. Plutón es considerado un sistema doble en pareja con Caronte. Si este último fuera considerado satélite, serían cinco los conocidos hasta ahora. 4 Vocabulario Radio orbital: distancia media que separa al planeta del Sol. Período orbital: tiempo que tarda el planeta en completar su órbita (dar una vuelta en torno al Sol). 4 Actividades Observando la Tabla de datos, pensemos: a) ¿Todos los planetas rotan? b) ¿Todos los planetas emplean el mismo tiempo en su movimiento de rotación sobre sí mismos? c) ¿Todos los planetas emplean el mismo tiempo en su movimiento de traslación en torno al Sol? d) ¿Cómo cambian los períodos al aumentar la distancia? e) ¿Qué relación encuentran entre el período de los planetas alrededor del Sol y la distancia media que los separa de él? f) ¿Cómo explican que si la Tierra, en su recorrida anual, pasa dos veces cerca del Sol y dos veces lejos de él, tengamos un solo invierno y un solo verano? g) Les sugiero visitar la página http://sac.csic.es/astrosecundaria/atrevete/index.html y realizar la actividad: “Las leyes de Kepler en el suelo de la clase”. h) Argumenten por qué la duración del año marciano es mayor que la del año terrestre. i) ¿Qué planeta tiene los días más cortos? ¿Y los más largos? ¿Qué indica la duración del día? j) ¿Qué característica en común tienen los planetas con anillos? A través de Internet podrán acceder a simuladores que les permitirán mejorar sus conocimientos: http://celestia.albacete.org/flash/proyectofinal.swf http://www.astro.puc.cl/~dante/fia0111/clase10.swf http://www.oni.escuelas.edu.ar/2002/gcba/sist_solar/Sistema%20Solar%20Version%20final.swf http://www.solarsystemscope.com/scope.swf http://univerx.sourceforge.net/index_es.html#download 87 4 Nuestro lugar en el Cosmos Actividades La densidad de los planetas La densidad es una propiedad específica de los materiales, que relaciona la cantidad de materia con el lugar que ocupa. Cada cuerpo del Sistema Solar tiene un valor medio característico. Les propongo encontrar materiales de uso corriente que puedan tener una densidad similar al promedio de cada planeta o de nuestra estrella. Astro Densidad (g/cm3) Sol 1,41 Mercurio 5,41 Venus 5,25 Tierra 5,52 Luna 3,33 Marte 3,9 Júpiter 1,33 Saturno 0,71 Urano 1,3 Neptuno 1,7 Densidad parecida a La siguiente tabla es un ejemplo, pueden buscar materiales que no estén en ella. Material Densidad Azufre 1,1 a 2,2 Cuarzo Yeso Material Densidad Hierro 7,86 2,65 Glicerina 1,3 2,3 Aluminio 2,7 Bórax 1,7 Corcho 0,24 Blenda 4 Cemento 2,7 Pizarra 2,6 Vidrio 2,4 Pirita 5,2 Arcilla 1,75 Calcita 2,7 Madera de roble 0,9 Níquel 8,9 Madera de pino 0,55 a) Si no saben a qué corresponde el nombre de algún material, busquen en el diccionario el significado. b) El agua tiene una densidad de 1 g/cm3. Si hubiese un océano tan grande como para contener a un planeta ¿cuál de ellos flotaría? c) ¿Cuál es el planeta más denso? d) ¿Hay algún material cuya densidad se parezca a la de nuestro planeta? e) ¿Cuál puede ser la razón para que la densidad de los planetas gigantes se parezca a la del Sol? 88 CAPÍTULO 4 planetaS inclinadoS Los planetas giran alrededor de un eje imaginario que pasa por su centro; tal eje no es perpendicular a su respectivo plano orbital. En esta tabla se dan las inclinaciones de los planetas. Ustedes pueden si quieren, averiguar la inclinación de los planetas enanos. Planeta Inclinación Mercurio 2º Venus 3º Tierra 23º 27´ Marte 23º 59´ Júpiter 3º 30´ Saturno 26º 44´ Urano 97º 48´ Neptuno Saturno 29º 4 26° 44’ por qué se inclinan los planetas El astrónomo Dr. Adrián Brunini trabajó durante cinco años en torno a la inclinación planetaria. Estas investigaciones echan por tierra la teoría anterior que sostenía que las inclinaciones de los planetas gigantes –u oblicuidades, como lo llaman los astrónomos– fueron causadas por colisiones con rocas espaciales del tamaño de la Tierra sucedidas durante los periodos iniciales del Sistema Solar. Todos los planetas de nuestro Sistema Solar están inclinados con un cierto ángulo, pero mientras que el ángulo de los planetas pequeños, como el de la Tierra, puede variar, no pasa lo mismo en los planetas grandes, cuyos grados de oblicuidad son constantes. A pesar de esto, el eje de la Tierra ha estado inclinado poco más de 23 grados durante millones de años, y en eso tiene mucho que ver la atracción de la Luna, que logra estabilizar casi por completo el movimiento de nuestro planeta. Recuerda que las estaciones del año son ocasionadas por esta inclinación. Actividades Mirando la tabla de inclinación de los planetas respondan estas preguntas: a) ¿Cuál es el que tiene menos inclinación? b) ¿Cuál es el más inclinado? c) ¿Cuáles tienen inclinaciones similares? d) ¿Por qué es importante para quienes vivimos en la Tierra que nuestro planeta esté inclinado? Utilizando modelos matemáticos se concluyó que el cambio en la inclinación se produjo probablemente hace miles de millones de años, cuando los planetas más grandes del Sistema Solar estaban más cercanos los unos de los otros de lo que están actualmente, y la gravedad de cada uno ejerció una fuerza sobre los otros. Esta interacción 89 4 Nuestro lugar en el Cosmos gravitacional fue la causante de que Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno se inclinasen de esa forma, y se mantuviesen así hasta hoy. Los resultados de su trabajo fueron publicados por la revista Nature. La gravedad de los planetas El peso es la fuerza que un cuerpo ejerce sobre su apoyo o su punto de suspensión al encontrarse bajo la influencia de un campo gravitatorio. La fórmula es P = m . g, donde “m” es la masa del cuerpo y “g” la aceleración debida al campo gravitatorio. Es fácil darse cuenta que a mayor gravedad, mayor peso. Si quieren saber cuanto pesarían en el hipotético caso de estar en la superficie de cada astro, basta que multipliquen su peso por el valor que aparece en la siguiente tabla: Mercurio Venus Tierra Luna Marte Júpiter Saturno Urano Neptuno 0,378 0,894 1,000 0,166 0,379 2,540 1,070 0,800 1,200 El viaje de los planetas A partir de los datos de esta tabla pueden comparar la rapidez con que cada planeta se desplaza en su trayectoria (órbita) en torno al Sol. Planeta Velocidad orbital (en km/s) Distanciaal Sol (en km) Mercurio 47,85 57.910.000 Venus 35,02 108.200.000 Tierra 29,78 149.600.000 Marte 24,15 227.940.000 Júpiter 13,03 778.330.000 Saturno 9,65 1.429.400.000 Urano 5,44 2.870.990.000 Neptuno 4,75 4.504.300.000 Afelio Sol Perihelio Órbita elíptica 152 millones de km 147 millones de km Los valores corresponden a las velocidades promedio (también llamadas medias) ya que la velocidad no es la misma durante toda la trayectoria del planeta en torno al Sol. Adquieren mayor velocidad que la media cuando se hallan a su menor distancia del Sol (Perihelio); la menor velocidad orbital de cualquiera de los planetas se observa cuando se hallan a la máxima distancia del Sol (Afelio). 90 CAPÍTULO Actividades a) Consultando la tabla, ¿pueden redactar alguna conclusión a partir de los datos que figuran en ella? b) La Tierra tarda un año terrestre en dar una vuelta al Sol, Marte tarda dos años terrestres. ¿Los planetas gigantes tardarán más o menos? 4 4 c) Un sencillo experimento: sujeten al extremo de una cuerda una plomada de las que se usan para armar líneas de pesca. Sujeten la cuerda por el otro extremo y háganla girar como una onda por encima de su cabeza; al ir soltando la cuerda comprobarán que irá perdiendo velocidad y si la acortan, la velocidad irá aumentando. deScRiBiendo a loS planetaS y a la lUna Mercurio es el planeta más pequeño y más cercano al Sol. El amanecer en este planeta tiene un brillo diez veces mayor que en la Tierra. Su periodo orbital es de 88 días y rota alrededor de su eje tres veces por cada dos revoluciones alrededor del Sol. Es un planeta donde reinan los extremos: un día dura 176 días terrestres (es el más largo de todo el Sistema Solar); como la radiación solar sobre él es seis veces mayor que la que incide en la Tierra, la temperatura en la cara iluminada es más alta que en cualquier otro planeta, 467º C, más de cuatro veces y media la temperatura del agua hirviendo, suficiente para derretir el plomo. Por el contrario, por la noche puede ser tan baja como -183º C (más de tres veces menor que la temperatura del continente Antártico). Venus es el planeta más brillante en el cielo nocturno, con frecuencia llamado el lucero del alba o el lucero del atardecer. Su nombre, representa a Afrodita, la diosa del amor y la belleza. Es el planeta más similar a la Tierra por su tamaño, masa, densidad y volumen, siendo levemente inferior en diámetro y masa (Venus posee el 95 % del diámetro terrestre y 80 % de su masa). Mercurio Venus Venus, presenta una densa atmósfera, formada en su mayor parte por dióxido de carbono, de entre 48 y 68 kilómetros de altura, con gran cantidad de nubes 91 4 Nuestro lugar en el Cosmos compuestas de pequeñas gotas de ácido sulfúrico y partículas de azufre. Presenta una presión atmosférica 90 veces mayor que la terrestre. En su superficie, el 85 % de la cual esté cubierta por roca volcánica, fueron identificados por medio del instrumental de radar de la sonda espacial Magallanes cientos de grandes volcanes. La Tierra es el tercer planeta del Sistema Solar, el más denso y el quinto más grande. Al estar cubierto en su mayor parte por agua (71 %) se lo ve azul desde el espacio. La composición de nuestro planeta está integrada por tres elementos físicos: uno sólido, la litosfera, otro líquido, la hidrosfera, y otro gaseoso, la atmósfera. Precisamente la combinación de estos tres elementos es la que hace posible la existencia de vida sobre la Tierra. La existencia de nuestra compañera de ruta (la Luna) provoca las mareas y ha influido en estabilizar la rotación de nuestro planeta. Si ella no estuviera, el día sería mucho más corto y no habría desarrollo de vida compleja. La Luna es el único satélite natural de la Tierra. Su diámetro es de unos 3.476 km, aproximadamente una cuarta parte del de la Tierra. La masa de la Tierra es 81 veces mayor que la de la Luna. La densidad media de la Luna es de solo las tres quintas partes de la densidad de la Tierra, y la gravedad en la superficie es un sexto de la Tierra. La Luna orbita la Tierra a una distancia media de 384.403 km y a una velocidad media de 3.700 km/h. La Luna no se formó con la Tierra. La química de las rocas en la Luna y otras evidencias indican que la Luna fue una vez parte de la Tierra. Cuando un asteroide enorme golpeó la Tierra a principios de la historia de nuestro planeta, un volumen enorme de rocas literalmente fue salpicado y puesto en órbita. La Tierra joven había sido un mundo abrasador y vaporoso de volcanes y ríos que exudaban roca fundida, con una atmósfera irrespirable de dióxido de carbono y virtualmente sin agua superficial… en pocas palabras, un mundo inhóspito y sin vida. El impacto hizo añicos la tenue corteza terrestre, mandando gas y vapor de agua extremadamente calientes al espacio interplanetario. Al mismo tiempo, grandes cantidades de manto y corteza terrestre (las capas más externas) se pusieron en órbita alrededor de nuestro planeta. Este material rápidamente se fusionó para formar la Luna. Este impacto ha sido reproducido con éxito en simulaciones de computadoras. Luna Tierra 92 CAPÍTULO Marte es el cuarto planeta a partir del Sol, tarda unos dos años terrestres en dar una vuelta en torno a él. Se lo distingue con facilidad en el cielo nocturno con su color rojizo. Visto con telescopios se pueden ver con dificultad algunos detalles de su superficie, por ejemplo un casquete polar de dióxido de carbono congelado. Con el sol de primavera, el contraste entre la temperatura del hielo y la del suelo calentado por el Sol origina fuertes vientos que ocasionan tormentas de polvo. El 6 de agosto de 2012 el robot Curiosity (curiosidad) comenzó a enviar fotos y a realizar su tarea de exploración de la superficie marciana en busca de vida extraterrestre. Estén atentos a los datos que puedan publicarse en la Internet, especialmente en http://www.lanasa.net. Júpiter es el mayor planeta del Sistema Solar. Es un gigante gaseoso, compuesto en un 80 % de hidrógeno, 19 % helio con trazas de metano, agua, amoniaco y otros gases. Su pequeño núcleo, posee una masa 10 a 15 veces la terrestre y está compuesto por roca sólida con un diámetro estimado en 20.000 kilómetros. Tiene un diámetro 11 veces mayor al de la Tierra y una masa 300 veces mayor, tarda casi 12 años en completar su órbita. Júpiter presenta un poderoso campo magnético, 14 veces más fuerte que el de la Tierra. Este campo magnético, sería generado por movimientos de un fluido conductor eléctrico en el centro del planeta. Las altas presiones en el núcleo de Júpiter hacen que el hidrógeno comprimido se comporte como un metal denominándose hidrógeno metálico líquido. De esta manera el interior de Júpiter consiste en tres regiones distintas: un núcleo rocoso, una capa de hidrógeno metálico líquido y una capa de hidrógeno molecular. Debido a su rápida rotación las corrientes eléctricas en el hidrogeno metálico generan un poderoso campo magnético. La magnetosfera de Júpiter se extiende por más de 30 millones de kilómetros. 4 Marte 4 Júpiter Saturno Saturno es el segundo en tamaño de los planetas gigantes y tiene un sistema de anillos extenso y complejo, fácilmente visible con un telescopio. Tarda 30 años en completar su órbita y es el menos denso de todos los planetas, ¡si hubiera un mar que pudiera contenerlo, flotaría! Al igual que Júpiter, Saturno tiene aproximadamente 75 % de hidrógeno y 25 % de helio, con trazas de agua, metano y amoníaco (una composición similar a la que la nebulosa primordial de la que se formó el Sistema Solar). El color amarillento de las nubes tiene bandas de otros colores, como Júpiter, pero no tan marcadas. Cerca del ecuador de Saturno el viento sopla a 500 Km/h. La elaborada estructura de los anillos se debe a la fuerza de gravedad de los satélites cercanos, en combinación con la fuerza centrífuga que genera la propia rotación de Saturno. 93 4 Nuestro lugar en el Cosmos Saturno está visiblemente achatado cuando se mira a través de un pequeño telescopio, sus diámetros ecuatorial y polar variar en casi un 10 %. Este es el resultado de su rápida rotación y estado de fluido. Los otros planetas gaseosos también son achatados, pero no tanto. Urano es el séptimo planeta contando desde el Sol y el tercero en tamaño. Su masa es 14,5 veces la de la Tierra y su diámetro cuatro veces mayor. Visto con un telescopio aparece como un disco verde azulado. La absorción de la luz roja por el metano sería responsable del color característico del planeta. Tiene la particularidad de que su eje de rotación está inclinado 98º, una propiedad que no tiene ningún otro planeta y que ha sido atribuida a una colisión (teoría actualmente puesta en duda). Necesita 84 años terrestres para dar una vuelta al Sol. Los datos aportados por las sondas viajero sugieren un modelo para la estructura interna del planeta, con un núcleo rocoso bastante pequeño, rodeado por una profunda y muy densa atmósfera de gases y hielos de agua, amoníaco y metano. Sobre éste hay una atmósfera de hidrógeno, y helio, con nubes de metano, amoníaco, y hielo de agua. La temperatura de la “superficie” es de -214° C. Urano tiene un campo magnético. Neptuno es el más pequeño, pero el más denso de los planetas gigantes; tarda 165 años terrestres en completar su órbita. Tiene un diámetro de 48.000 kilómetros y una masa 17 veces la de la Tierra. La estructura del planeta está formada por un núcleo rocoso cubierto de hielo y una atmósfera gaseosa de 8.000 km de espesor compuesta por hidrógeno molecular con nubes de metano. Un termómetro marcaría allí -220º C. Neptuno tiene un sistema de nubes muy activo, con variedad de formaciones y fenómenos atmosféricos violentos como los huracanes. Como el resto de los planetas gaseosos presenta anillos formados por millones de partículas de hielo, polvo y pequeñas rocas que giran alrededor del planeta sobre un mismo plano. Urano Neptuno Para ampliar esta información pueden navegar en http://www.windows2universe.org/our_solar_system/solar_system.html&lang=sp; o visitar la página de la NASA en español http://www.lanasa.net. También pueden ver el video de la National Geographic en http://video.nationalgeographic.com/ video/kids/en-espanol-kids/sci-solar-system-101-spa-kids/ 94 CAPÍTULO 4 El Sol es una estrella Los puntos de luz que vemos llenar el cielo en una noche despejada son soles, o estrellas, pero se ven pequeños debido a la enorme distancia que nos separa de ellos. Cada uno de esos puntos representa una larga historia evolutiva que toma millones de años de procesos físicos, químicos y fuerzas cósmicas que alcanzaron el producto que hoy en día percibimos. La distancia hacia las estrellas es tan grande que no puede observarse ningún detalle por medio de un telescopio común. La más cercana, Próxima Centauri, se encuentra a una distancia tal, que su luz nos llega luego de cuatro años y tres meses. 4 Sirio, la estrella más brillante de la constelación del Can Mayor, se encuentra a unos 8.6 años luz de la Tierra y es la estrella más brillante en una noche estrellada. Durante el día, nuestro Sol (dada su proximidad) brilla 10.000 millones de veces más. Nuestro planeta, al igual que el resto del Sistema Solar, gira en torno a una estrella común y corriente. Como todas las estrellas es responsable de fabricar con sus procesos de fusión elementos químicos cada vez más complejos a partir de la materia prima inicial, el hidrógeno. Los átomos que componen el aire, los árboles, el agua, el cuerpo humano y todo lo que conocemos han sido formados en las estrellas durante su evolución. Sin el Sol no se habría originado vida sobre la Tierra. Es más, no existiría nuestro planeta como tal. El Sol es una “bola” de plasma cuya temperatura superficial es 60 veces mayor que la del agua hirviendo. Su diámetro es tal que se necesitan 109 Tierras colocadas una al lado de la otra para cubrirlo. Si existiera la balanza de platillos que pudiera pesar al Sol, se necesitarían 333.000 Tierras para equilibrarla. Si existiera el recipiente cuyo volumen fuera el de nuestro Sol, en él cabrían 1.300.000 Tierras. Está compuesto principalmente de dos elementos: hidrógeno y helio. Su abundancia ha cambiado a lo largo de su vida, por lo que hoy el hidrógeno y el helio representan el 74,9 % y el 23,8 %, respectivamente de su masa total. El oxígeno solo contribuye con el 1 %, el carbono con el 0,3 % y el neón y el hierro con el 0,2 %. Las diferentes capas que podemos distinguir en el Sol se caracterizan por el tipo de energía que producen o la forma con que la transportan hacia la superficie. El núcleo es la zona más interna, densa (160 veces más que el agua) y caliente (15.000.000º C). Allí se produce la fusión nuclear, con la emisión de radiación gamma. Estas ondas electromagnéticas viajan por la zona radiante hasta la zona convectiva, donde su energía es absorbida, para luego transmitirse por convección a la fotosfera. Partes del sol Zona convectiva Fotósfera Manchas Zona radioactiva Núcleo 95 4 Nuestro lugar en el Cosmos La convección en el Sol consiste en columnas de plasma caliente que ascienden hasta la superficie, se enfrían y vuelven a descender (como le sucede al agua calentada dentro de una cacerola). ¿Sabías que...? La temperatura en el Sol es tan alta, que el material se encuentra en estado plasma, esto es, separado en iones y electrones. A este estado se le conoce comúnmente como el cuarto estado de la materia, debido a la carga eléctrica de las partículas. El material de un plasma interactúa con campos eléctricos y magnéticos y se comporta de manera muy diferente a un gas neutro. El 99 % de la materia visible en el universo está en estado plasma, por lo que al estudiar a nuestra estrella podemos aprender sobre fenómenos que ocurren comúnmente en otros entornos. Llamamos fotosfera a la parte del Sol que podemos ver. Es una capa delgada, desde la que se irradia la energía al espacio. La energía emitida por segundo por su superficie, llamada luminosidad solar, es de: 300.000.000.000.000.000.000.000.000 W. La atmósfera solar está formada por dos capas llamadas cromósfera y corona que se encuentran encima de la fotósfera. El Sol presenta un campo magnético global con una intensidad media, el doble que el de la Tierra. Algunas veces, debido a la interacción entre diferentes partes del campo magnético solar, se libera energía en forma de explosiones o eventos eruptivos. Todos estos procesos son parte de la actividad solar. Si les interesa profundizar sobre la actividad solar, sugiero visiten http://www.parhelio.com/ y http://www. astrogea.org/divulgacio/obsol.htm La observación del cielo y el movimiento de los astros La observación es una forma natural de explorar el mundo y acceder al conocimiento. Si bien es cierto que durante la jornada escolar solo está visible el Sol, y en algunos horarios la Luna (según la fase en la que se encuentre), y por qué no Venus en algunos casos, es perfectamente posible plantear como tarea una observación sin ayuda de instrumentos. Saturno Luna Venus Mercurio 96 CAPÍTULO Con la expansión del uso de computadoras, el cielo también se puede simular para cualquier día y horario. Esta posibilidad permite, por ejemplo, acceder al cielo del día de tu cumpleaños, o el de un importante acontecimiento para tu comunidad, o comparar el cielo de una época en particular con el cielo de hoy. También permite observar, utilizando Internet, un eclipse de Luna o de Sol solo visible en otro lugar del mundo o en caso de mal tiempo atmosférico. Les recomiendo “bajar” un simulador de cielo de la página http://www.stellarium.org/es/ o de esta otra; http://www.nightshadesoftware.org/?q=node%2F2 Miren cuán importante ha sido observar el cielo que, según el Códice de Dresde, los Mayas (1000 a.C. y 1542 d.C.) necesitaron treinta años para, luego de observar 405 lunaciones, determinar un mes lunar de 29 días, 12 hs, 44 minutos y 3,84 segundos. Midiendo con la tecnología actual la diferencia es de solo 17 segundos. 4 Vocabulario Códice Dresde: es un antiguo libro donde los Mayas registraron la información astronómica de la que disponían. Data del siglo XI, tiene 74 páginas y se pliega en forma de biombo. Está hecho en papel ámate, una lámina vegetal fibrosa. Es uno de los pocos libros que se salvó de la destrucción ocurrida durante la conquista de América. 4 Entre otros datos, hace referencia a las sucesivas apariciones de Venus como estrella matutina, el lapso que aparece como estrella vespertina y los períodos en que desaparece. Lo interesante sobre las efemérides de Venus que aparecen en este códice es que dicho calendario pronosticaba con notable exactitud las posiciones de Venus, las fechas de eclipses, las fases de la Luna y el movimiento de Marte. Actividades La observación es uno de los caminos fundamentales para aprender astronomía; los invito a comenzar a registrar lo que vean en cada oportunidad que tengan de mirar el cielo, tanto de día como de noche. a) Busquen observar desde un mismo lugar las puestas de Sol. Si observan una un día y la otra, una semana después, ¿el Sol desapareció por debajo del horizonte las dos veces en la misma posición? b) Busquen observar la Luna en diferentes momentos de un mismo día o una misma noche ¿Notan algún cambio? Si la observan a la misma hora en días sucesivos ¿Registra algún cambio? c) Si observan el cielo en noches sucesivas, ¿notan cambios? ¿A qué los atribuyen? d) Pongan en común las observaciones realizadas. Anoten la hora en que se realizó la observación y dibujen un “mapa” celeste, indicando mediante puntos los objetos más luminosos. 97 4 Nuestro lugar en el Cosmos Si consultamos un mapa del cielo, nos encontraremos que los astrónomos aceptan 88 regiones llamadas constelaciones. Son la cómplice asociación entre la antigua visión mítica del cielo y la astronomía moderna. Cobran especial significado cuando queremos reconocer regiones del cielo para poder orientar nuestra observación. La palabra constelación viene del latín com y stellar que significan reunión y brillar, respectivamente. Representa una agrupación de estrellas cuya posición en el cielo nocturno es aparentemente tan cercana que las civilizaciones antiguas decidieron conectarlas mediante líneas imaginarias, trazando así figuras sobre la bóveda celeste. En el espacio tridimensional, en cambio, las estrellas de una constelación no están, necesariamente, físicamente asociadas; incluso pueden encontrarse a cientos de años luz unas de otras. Por otro lado, dichos grupos son completamente arbitrarios, ya que distintas culturas han reconocido constelaciones diferentes, incluso utilizando las mismas estrellas. Por ejemplo: el escorpión de los babilonios es el mono de los pueblos andinos. Entre estas representaciones puedes encontrar animales, seres mitológicos y objetos por ejemplo una ballena, un dragón y hasta un escudo. Esta fue la última constelación puesta en el cielo por Hevelius, en el año 1690, en homenaje al rey de Polonia. Para los pueblos originarios de la América del Sur, la Cruz del Sur representa un avestruz americano, aunque difiere de una región a otra si es la huella de la pisada, el animal completo o solo la cabeza. El mismo grupo de estrellas es para los originarios de Oceanía una raya. Actividades El significado dado a las figuras que parecen formarse con estrellas cambia de cultura en cultura. La interpretación es caprichosa. Para probarlo hagan lo siguiente: a) Observen la imagen detenidamente y usando su imaginación, traten de relacionarlas hasta encontrar una figura. ¿Cuántas formas diferentes se les ocurren? Al pie de la página está la respuesta*. Este grupo de estrellas en negativo, corresponde a una región del cielo b) Localicen en un planisferio las estrellas y constelaciones que conozcan. Identificar constelaciones puede ser una tarea interesante, pues ayuda a guiar vuestro viaje por el cielo estrellado. c) ¿Qué idea acerca del movimiento de los astros sugieren observaciones del cielo como las que han realizado? Con otras palabras, ¿qué idea pudieron formarse al respecto los antiguos observadores del cielo? * Respuesta: han utilizado las estrellas que componen la constelación de la Cruz del Sur. 98 CAPÍTULO 4 El Sol periódicamente levanta por el este y con el paso de las horas se va elevando formando un arco reclinado hacia el norte. La trayectoria celeste del Sol se denomina arco solar y define el “día de luz” (esto es, el período de tiempo en que el Sol es visible). Todos los astros levantan y se ponen formando su propio arco. La elevación de mediodía es máxima en el solsticio de verano durante el día más largo y la noche más corta (mientras en el otro hemisferio de nuestro planeta ocurre lo contrario). En cambio en el solsticio de invierno, durante el día más corto y la noche más larga, la altura alcanzada por el Sol al mediodía es la mínima de todas las alturas alcanzadas durante el año. 4 Mediodía Trayectoria al inicio del verano Trayectoria al inicio del invierno Poniente O Sur Norte Levante E Observar y medir la sombra de una varilla colocada en posición vertical nos permite reconstruir el movimiento diurno y el giro de la Tierra. Mientras el arco que describe el Sol es recorrido de levante a poniente, las sombras varían su dirección en cada instante, en sentido contrario. Una sombra se produce cuando un objeto opaco intercepta la luz procedente del Sol o de otra fuente de luz; llamamos sombra a la zona menos iluminada resultante de esta intercepción. Las sombras se mueven solo si la fuente y/o el objeto se mueven; de modo que al estar el gnomon fijado a la Tierra y esta girar, el resultado es que las sombras se mueven del mismo modo que nuestro planeta. El ángulo formado por la dirección de la primera sombra y la dirección de la última con vértice en el gnomon, nos da una idea de la duración del día luz (horas de Sol). Vocabulario Gnomon: se define como un palo o estilete vertical que proyecta su sombra sobre una superficie horizontal. La palabra proviene del griego y significa aguja o vara. 99 4 Nuestro lugar en el Cosmos Actividades Determinación de la línea norte-sur A la mañana, antes del mediodía, marquen en el suelo el extremo de la sombra del gnomon. Haciendo centro en este, y con radio igual a la longitud de la sombra, tracen un semicírculo. A medida que el Sol se mueve sobre su trayectoria aparente, la longitud de la sombra se irá acortando, hasta hacerse mínima al mediodía, para luego comenzar a crecer. Cuando la sombra del gnomon caiga sobre el semicírculo, las longitudes de la mañana y la tarde serán iguales y tendrán una nueva marca. La bisectriz del ángulo que forman la primera marca, la base del gnomon y la segunda marca, permiten determinar la dirección norte-sur. También pueden generar la recta entre la base del gnomon y la mitad del segmento que une las dos marcas. Al trazar la perpendicular a la línea norte-sur se obtiene la línea este-oeste. Dado que los levantes se hallan en la zona oriental del horizonte y los ponientes en la occidental, puede verificarse que, al comenzar el movimiento aparente del Sol, las sombras apuntan hacia la zona occidental, en el mediodía se hallan justo en la meridiana que separa ambas zonas y luego, la dirección de la sombras será hacia la zona oriental. El Sol, en la mitad de su recorrido aparente por el cielo pasa por el meridiano de lugar. NORTE O + E + Marca de la mañana Marca de la tarde Meridiana Midiendo la longitud de la sombra del indicador al mediodía (mínima), día tras día, se verifica que existe solo un largo de sombra mínima posible para cada día. Esta circunstancia convierte al gnomon en un potente instrumento para señalar el “día del año” con solo observar la longitud de la sombra. Entre la primera medida de la sombra, hasta que esta vuelva a tener la misma longitud y sentido (de crecimiento o decrecimiento), habrá transcurrido un período de tiempo que se denomina “año”. SUR a) ¿En qué orientación y en qué momento alcanza el sol su altura máxima sobre el horizonte? b) ¿Alcanza siempre la altura máxima a la misma hora? ¿La alcanza siempre en alguna orientación determinada? c) ¿Pueden encontrar alguna relación entre cuánto dura el día luz y la altura que alcanzó a mediodía? 100 CAPÍTULO 4 El astro más observado El aspecto que nos presenta la Luna ha despertado el interés de los hombres desde muy antiguo. Al ponerse el Sol, la Luna, en sus primeros días de creciente, presenta un extraño brillo, conocido como “luz cenicienta”. La primera explicación correcta de este fenómeno proviene del autor del famoso cuadro Mona Lisa. Quizá hayan escuchado hablar del arquitecto, escultor, pintor, inventor, músico, ingeniero nacido en Florencia (Italia) llamado Leonardo Da Vinci (1453-1519). Sorprendentes son sus bocetos de bicicletas, submarinos, máquinas voladoras, y otros artilugios llenos de engranajes, pero no es menos sorprendente que su imaginación le haya permitido explicar alrededor del año 1510 que esa “luz fantasmal” es el reflejo del brillo de la Tierra. Es decir la luz solar reflejada por la Tierra se refleja en la Luna, llegando a nosotros como un brillo tenue en la superficie lunar durante las fases de Luna Nueva y primeros días de creciente. Leonardo observaba y dibujaba la Luna imaginándola con atmósfera y cubierta por mucha agua. 4 Tiempo más tarde, otro italiano llamado Galileo Galilei observa la Luna con su anteojo y describe su relieve. En su libro El mensajero de los astros describe sus observaciones, e incorpora alguno de sus dibujos de la superficie lunar: “las montañas y los valles de la Luna confirman la similitud entre la materia terrestre y la celeste, la naturaleza homogénea de la materia constitutiva del Universo”. Si observan a simple vista pueden notar que hay dos tipos de terreno en la Luna, los más elevados y brillantes, llenos de cráteres y montañas a los que se llama “terrae”, y las tierras bajas, oscuras, lisas y con pocos cráteres a las que se llama “maria”, por su parecido con los mares. La mejor época para mirar la Luna es la de cuarto creciente. En nueva, no se la puede ver; en fase llena, no hay suficientes contrastes para ver los detalles de su superficie; en menguante, aparece muy tarde en la noche y, por tanto, su observación requiere horarios no tan cómodos para el común de la gente. 101 4 Nuestro lugar en el Cosmos Para la ciencia, los cráteres lunares son en su mayoría de impacto, vestigio de una lluvia de rocas pesadas que impactaron en la superficie lunar hace millones de años y que nuevos impactos modifican el paisaje. En cambio, para algunos pueblos originarios, los cráteres lunares son las cicatrices en la cara por el Señor de los Caracoles al ser castigado a golpes con un conejo por la furia de los dioses, o los moretones y quemaduras en la cara de Krah, (la Luna) en la rebelión de los hombres contra las mujeres (mito del pueblo ona). Actividades 1) La página http://www.cielosur.com/lunacion.php les permitirá descubrir la Luna día por día. 2) Usen un mapa de la Luna para identificar los nombres de algunas regiones y accidentes geográficos e incorpórenlos a sus registros. 3) Un excelente software que se puede bajar de Internet es el Atlas Virtual de la Luna, que está disponible en la página http://www.astrosurf.com/avl/UK_index.html y también en http://www.geocities.com/jpvcedasa/VMA/ES_download.html; es muy útil a la hora de reconocer la superficie de nuestro satélite. 4) Observen la Luna, anoten su fase y la hora, ¿pueden ver algún detalle del relieve que puedan registrar? Pongan mucha atención a la zona de separación entre la luz (día) y la sombra (noche) porque es donde mejor se revelarán los detalles de la superficie. A esa zona se la llama “terminador”. 5) Si pueden usar prismáticos o un telescopio, deténganse a observar la gran variedad y cantidad de accidentes que posee la superficie de la Luna. Traten de reconocer lo que en astronomía se llama cráteres, líneas radiales, mares, etc. 6) Observen la foto: a) ¿Por qué hay cráteres más grandes y más pequeños? ¿Por qué algunos tienen una protuberancia en el centro? b) ¿Los bordes de los cráteres son todos iguales? c) ¿Cómo dos cráteres tan próximos entre sí pueden ser tan distintos? ¿Cuál creen que es el origen de estos cráteres? 7) Describan el movimiento de la Luna a lo largo de una noche. ¿Qué periodicidad le podemos asignar a la Luna? Describan las fases. 102 CAPÍTULO 4 En el cielo las estrellas En los cielos del sur de nuestro territorio, a las estrellas se las llamaba Wanguelen, el nombre de “estrella” / “star” / “stern” y derivados en diferentes idiomas, proviene del nombre de la gran diosa lunar babilónica Ishtar / Astarté / Aster. Las estrellas son “cocinas cósmicas” donde se cuecen átomos de hidrógeno para formar átomos más pesados. Desde Hiparlo de Nicea (Siglo II a.C.) a nuestros días, las estrellas se han catalogado con diferentes criterios, quizá el más accesible resulta ser el sistema de letras griegas introducido por el astrónomo alemán Johann Bayer en 1603. Llamó α (alfa) a la estrella de mayor brillo de cada constelación, β (beta) a la siguiente y así sucesivamente continuó nombrando al resto de acuerdo a clases de brillo hasta completar el alfabeto griego de 24 letras. Cuando se terminaron las letras, recurrieron a los números para continuar la clasificación. Vocabulario 4 Estrella: plasma autogravitante que produce su propia energía por fusión nuclear. En cuanto a los nombres propios impuestos a las estrellas más brillantes creo que es un buen motivo para que investiguen. Solo para estimular vuestra curiosidad les cuento que: Sigma Sagitario es Nunki, que significa “abrevadero”; Alfa Pegasus se llama Markab: de Mercábatz el Fáras, “la silla o la montura del caballo”. Beta Leonis se llama Denebola, el nombre procede de la denominación primitiva de la estrella: Denéb el Boláa o “la cola del devorador”. Posteriormente se llamó Denéb el Assad, “la cola del león”. Si identifican la constelación de Escorpio, la estrella roja más brillante se llama Antares, que en árabe es Kalb el Aakrab, “el corazón del escorpión.” Con las estrellas como guía Identificar los puntos cardinales les permitirá un mejor aprovechamiento de una carta celeste y les será más fácil identificar sus objetivos celestes. Desde los navegantes portugueses a los pueblos originarios de la América del Sur se conoce una referencia estelar que permite identificar el rumbo sur. Actualmente la conocemos como la Cruz del Sur y es la más pequeña de las 88 constelaciones que aceptan los astrónomos. El brazo mayor de la Cruz está formado por las estrellas Gacrux y Acrux, esta última es una de las estrellas más brillantes del firmamento (duodécima en brillo entre todas las estrellas visibles). 103 4 Nuestro lugar en el Cosmos Si imaginariamente extendemos este brazo cuatro veces y media en dirección a Acrux, habremos encontrado aproximadamente el Polo Sur Celeste, la vertical de este punto indicará sobre el horizonte el rumbo sur. Esta constelación está siempre visible para el hemisferio sur (cuando el cielo está despejado). Dos estrellas brillantes Hadar (β Centauro) y Achernar (α Eridano) forman un segmento imaginario en cuyo centro se encuentra el PSC, cuya proyección vertical nos dará el sur. Orión, el cazador que contemplamos cabeza abajo, es una de las constelaciones más grandes, reconocible y hermosa. Solo visible en algunas épocas del año (de noviembre a febrero), suele usarse como referencia. El cinturón del cazador está formado por tres estrellas visibles: Alnitak, Alnilam y Mintaka, conocidas como “Las tres Marías”, y la cabeza, representada por Meissa (λ Orión). Si unen Alnilam (ε Orión), la estrella del centro del cinturón, con Meissa, y continúan la línea hasta el horizonte encontrarán el norte. Los siguientes sitios web te ofrecen descargas gratuitas para fabricar cartas celestes: Cartas del cielo www.cartes-du-ciel.iespana.es/ Celestia http://www.shatters.net/celestia StarryNight Backyard www.starrynight.com El gran ojo de los hombres En Italia, en el verano de 1609, Galileo fabrica dos lentes y construye un anteojo de ocho aumentos; poco después construye uno nuevo de veinte aumentos. Cuando apuntó por primera vez el artefacto al cielo, lo sorprendió tanto lo que observó, que publicó inmediatamente una descripción de su visión. En marzo de 1610, comienza a circular el Sidereus Nuncius (El mensajero de las estrellas), un tratado de 24 páginas que asombró y causó un gran revuelo entre los estudiosos de la época. Piensen en la importancia que tuvo este aparato en el cambio de la concepción del mundo. ¿Por qué significó una revolución en la astronomía? ¿Recuerdan el geocentrismo? Tiempo más tarde, alrededor de 1706, en lo que después sería la Argentina, un joven criollo también fabricaría anteojos astronómicos. Con la ayuda del pueblo guaraní, Buenaventura Suárez, el primer astrónomo nacido en estas tierras, pudo construirlos y realizar sus observaciones, primero desde el actual suelo correntino y luego desde Paraguay. Tal fue la calidad de estas observaciones que su nombre y su tarea trascendieron en Europa. Telescopio de Galileo Galilei 104 CAPÍTULO 4 Trabajo de laboratorio Para fabricar un pequeño telescopio… Si quieren probar cómo una combinación de lentes les permite ampliar vuestra capacidad visual, pueden realizar la siguiente experiencia: consigan dos lentes, al menos una convergente, por ejemplo +2 dioptrías. La otra podría ser +10 o - 10, lo importante es que tenga una distancia focal corta. Los diámetros comerciales son de 55, 60 o 65 mm. Para nuestra experiencia basta el de menor diámetro. Obtenidas las lentes, consigan dos tubos de diámetro adecuado, preferentemente de cartón y buscando que uno entre ajustado dentro del otro. También pueden cortar uno a lo largo, cortarle una franja hasta que entre ajustado y asegurarlo con cinta de papel (como la que usan los pintores). Para nuestro ejemplo bastará que el tubo externo tenga 40 cm y el interno 20 cm de longitud. En el extremo del tubo fijen la lente de +2 dioptrías cortando dos anillos de cartón, o uno de cartón el otro de alambre, de modo que la lente quede entre ambos. Al menos uno de los anillos se fija con pegamento, buscando que el apoyo de la lente quede perpendicular al tubo. (Las lentes deben quedar en un plano paralelo a la sección del tubo ya que esto te facilitará que quede alineado el eje óptico de las dos lentes). Con la segunda lente se procede igual, en el extremo del otro tubo. Agreguen un diafragma de cartulina negra que achique el orificio donde se pone el ojo, para permitir que puedan mirar cómodamente (la pupila del ojo humano en la oscuridad tiene un diámetro de alrededor de 7 mm). Fabriquen varios diafragmas y pruébenlos comenzando por el de mayor abertura, hasta que encuentren el que les permita ver mejor. 4 Si su experimento funciona, podrán entender la alegría de Galileo cuando miró la Luna y la vio tan cerca, y la satisfacción de Buenaventura cuando encontraba entre los basaltos del Paraná un cristal muy puro para tallar la óptica de sus instrumentos. Sugerencias • Valdría la pena que su escuela dispusiera de un telescopio para mejorar las posibilidades de observación; el Departamento de Óptica de la Facultad de Astronomía y Geofísica de La Plata (Provincia de Buenos Aires) pueden orientarlos: Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas Universidad Nacional de La Plata Te: (0221)423-6593/94 Int. 131 Fax: (0221) 427-4914 e-mail: [email protected] Paseo del Bosque s/n, La Plata (CP 1900) Argentina • Encontrarán más información en la página: http://www.cielosur.com/observatorio-escuelas. php • Si les interesa la astronomía y desean realizar actividades o construir sencillos instrumentos, que les permitan aprender sobre esa ciencia, les sugiero leer el Manual de astronomía de Editorial Kaicrón. 105 4 Nuestro lugar en el Cosmos paRa SegUiR tRaBajando Actividades Luego de leído el capítulo les propongo la confección de un diccionario astronómico ordenado alfabéticamente. La simple observación del cielo nocturno había revelado desde la Antigüedad la existencia de ciertas regularidades en el movimiento de los astros. Las estrellas y la Vía Láctea parecían moverse durante la noche como si estuvieran rígidamente unidas a una bóveda invisible que girase alrededor de un punto fijo en el cielo. El descubrimiento de la redondez y el tamaño de la Tierra, así como otros importantes descubrimientos humanos, acontecieron en el mayor puerto de mar que existiera 300 años antes de nuestra era, la ciudad de Alejandría (Egipto). Esta ciudad se distinguió por sus jardines y zoológicos, su admirable museo y por los tesoros de su biblioteca, magnífico archivo de la suma de los conocimientos de la Antigüedad. Allí se destacaron hombres como Euclides, Arquímedes, Eratóstenes, Apolonio, Ptolomeo...Pero entre estos nombres hubo uno de mujer: Hipatia, matemática y astrónoma. Rompiendo con las explicaciones míticas de las civilizaciones anteriores, los grandes filósofos y astrónomos alejandrinos emiten las primeras teorías racionales sobre la forma de la tierra y su concepción del Universo. Para conocer más les propongo ver la película Ágora (2009), del director Amenabar, en la que con grandes dosis de ficción se reconstruye la Alejandría del siglo IV d.C y la vida de quien para algunos fue la primer mujer científica: Hipatia de Alejandría. La Hipatia de Amenábar nos ofrece una oportunidad distinta de mostrar las fases del trabajo científico, revisar los aportes de las mujeres a la ciencia y discutir los alcances de un modelo a la hora de explicar una teoría. La película dura 126 minutos, durante los cuales aparecen los modelos geocéntrico y heliocéntrico, el análisis del movimiento planetario, las formas de medición de la posición de los astros, el experimento del movimiento relativo realizado en un barco, la discusión sobre la forma de la Tierra, la explicación de las estaciones y otras muchas oportunidades de discutir sobre como los hombres hemos tratado de explicar el Cosmos. 106 CAPÍTULO 5 La vida: unidad y diversidad Cosas de la vida... “No te metas, ¡es mi vida!” Seguramente esta expresión les resulte familiar y hasta les arranque una sonrisa, por sentirla parte del discurso de muchos adolescentes, quienes desde la trinchera segura de su dormitorio, portazo mediante, pretenden defender a capa y espada su derecho a “ser grandes” y gozar sin límite de esa libertad tan ansiada ante sus intransigentes progenitores. Si bien no nos detendremos a analizar sus implicancias en cuanto a discusiones, retos, penitencias y otras situaciones más o menos catastróficas en el ámbito familiar, sí profundizaremos en la connotación biológica que tiene la palabra “vida”, este atributo tan preciado que merece ser defendido de modo tan vehemente. Ser o no ser... vivo ¿Qué significa tener vida? ¿Qué cualidades debe reunir un ser para considerarlo “vivo”? Comencemos por analizar un ejemplo concreto: sus computadoras. Probablemente compartan muchas horas con ellas, de diversión, estudio, comunicación con amigos. ¿El poder interactuar con este objeto implica que tiene vida? Veamos: la computadora necesita estar enchufada a una fuente de energía o tener sus baterías cargadas para funcionar, del mismo modo que ustedes necesitan comer para generar la energía necesaria para todas las acciones cotidianas. Cuando se recalienta, funciona un ventilador que le devuelve la temperatura óptima para que sus circuitos electrónicos no se estropeen. De forma análoga, nosotros transpiramos o tiritamos según el modo en que varíe la temperatura corporal para estabilizarla en unos 36,5° C. Su computadora es capaz de registrar, procesar y responder a las órdenes que ustedes dan a través del teclado. Los seres vivos también pueden captar información del medio, la pueden procesar y dar diferentes tipos de respuestas. Por último, la computadora es un sistema: el software y el hardware son elementos que interactúan para cumplir un fin determinado. Los seres vivos también son sistemas, sistemas biológicos, si consideramos que están formados por elementos que tienen funciones específicas y actúan coordinadamente ya que tienen en común la finalidad de mantener la vida. Nosotros y todos los organismos vivos somos sistemas biológicos ininterrumpidamente, de día y también de noche, cuando dormimos, ya que no nos podemos dar el lujo de “apagarnos”, ni nos “reseteamos” como lo hacen las máquinas. 5 La vida: unidad y diversidad Con estos datos casi podrían incorporar a su fiel amiga, la compu, al mundo de los vivos, pero... ¡No está todo dicho! Piensen ahora: ¿habrá cosas que no puede hacer una computadora y sí puede hacer un ser vivo? ¡Claro que sí! Veamos juntos de qué se trata. La organización estructural de la vida: ¿de qué y cómo está hecho un ser vivo? Si tuvieron ocasión de explorar el interior de una computadora habrán comprobado que está conformada por una serie de plaquetas con circuitos electrónicos. Para poder saber de qué estamos hechos todos los seres vivos debemos recurrir a un microscopio. Con ayuda de su docente pueden enfocar una fina lámina de un bulbo de cebolla, pulpa de tomate, bacterias del yogur, y también una muestra del interior de sus mejillas raspando suavemente con una cucharita. Pueden teñir los preparados con azul de metileno para observarlos mejor. ¿Qué tienen en común? Cada pieza que conforma un ser vivo recibe el nombre de célula. Todos los seres vivos tienen un nivel de organización más o menos complejo cuya unidad constitutiva siempre es la célula. La célula se define como la mínima unidad estructural, funcional y de origen de todo ser vivo, ya que forma la estructura del cuerpo de un organismo como los ladrillos a las paredes en una casa. Ayuda a que funcione el ser vivo y además, a partir de ella, pueden originarse nuevas células. Es en sí misma una unidad de vida, a tal punto que hay organismos que se las arreglan para vivir únicamente con una célula, por eso se llaman unicelulares. Como son extremadamente pequeños, microscópicos, se los califica como microorganismos (micro significa “pequeño”). Los organismos constituidos por más de una célula son los pluricelulares (pluri significa “muchas”). Aún así algunos son muy pequeños y hay que observarlos con microscopio como los gusanos acuáticos llamados rotíferos que tienen hasta 2000 células. El ser humano puede tener entre 10 y 50 billones de células (50.000.000.000.000 de células ¡todas funcionando al mismo tiempo y en forma sincronizada!). ¿Se pusieron a pensar cuántas células habrán constituido el cuerpo de los gigantescos dinosaurios? El microscopio es un instrumento que se utiliza para observar células y seres vivos muy pequeños. Consiste en un sistema de lentes de aumento, el objetivo y el ocular, similares a los de las lupas. Lo que se desee ver debe prepararse de un modo especial (como láminas muy finas o pequeñísimas muestras de material), sobre un vidrio llamado portaobjeto, que se coloca en un soporte y sobre él se enfoca una luz que permite visualizar nítidamente la muestra a través de ambas lentes. Autoras de la foto: Sol y Mavi Feltrez 108 CAPÍTULO 5 Composición química de las células Se conocen más de 100 tipos de átomos que figuran en la tabla periódica, de los cuales solo 25 son esenciales para la vida. Curiosamente, la inmensa complejidad de las células contiene apenas cuatro elementos químicos básicos: el carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N), que constituyen el 96 % de la materia viva. Si pudiéramos ver una a una las moléculas que forman las estructuras celulares, comprobaríamos que son de gran tamaño, algunas con cientos de átomos, y complicadas formas tridimensionales, aunque todas formadas por C, H, O y N. Podemos mencionar los hidratos de carbono (azúcares), lípidos (grasas), proteínas, y el ADN. 5 Otros átomos que se encuentran en proporciones menores son el fósforo, calcio, azufre y potasio. También hay elementos como el hierro que se encuentran en cantidades infinitamente pequeñas. a b d c e Modelos moleculares del agua (a), del ADN (b), de la clorofila (pigmento que les da el color verde a las hojas de las plantas) (c), de un fosfolípido (componente importante de las membranas de las células) (d), de la glucosa (principal fuente de energía del organismo) (e). En cada caso las esferas de colores representan los diferentes tipos de átomos que componen esas moléculas Cuando las células trabajan juntas Los individuos pluricelulares tienen muchas células que actúan coordinadamente poniendo en práctica una división del trabajo. Un conjunto de células que cumplen una misma función se denomina tejido. A modo de ejemplo citaremos el tejido nervioso, el tejido óseo, el muscular, sanguíneo y epitelial: todos ellos presentes en los animales. Mientras que las plantas tienen tejidos conductores de sustancias, de crecimiento (meristemas), de relleno (parenquimático), entre otros. 109 5 La vida: unidad y diversidad Los tejidos tampoco trabajan solos: se reúnen a su vez formando los órganos. Cada órgano está constituido por diferentes tipos de tejidos y lo interesante es que este adquiere funciones propias más allá de las que tienen los tejidos que lo conforman. Por ejemplo, un vaso sanguíneo es un órgano que está formado por varias capas de tejido: tejido epitelial, cuya función es recubrir y proteger superficies, y el otro es muscular, por lo cual tienen la función de contraerse. El vaso sanguíneo adquiere la función de conducir líquido (la sangre), gracias a la presencia de esos tejidos que se disponen en capas dando lugar a su estructura en forma de tubo. Tejido muscular: elasticidad y contractilidad Tejido epitelial: cubre superficies Vaso sanguíneo: órgano conductor de sangre Lo mismo ocurre con los órganos cuando forman “equipos” con un objetivo determinado dando lugar a los aparatos o sistemas de órganos, con propiedades exclusivas que superan las que tiene cada órgano por separado. Ejemplo: la función conjunta que tiene el sistema digestivo es la de degradar todos los componentes de los alimentos para que las moléculas resultantes tengan un tamaño suficientemente pequeño para pasar a la sangre y circular por los delgadísimos vasos sanguíneos. Sin embargo, la boca, el primer órgano del sistema, solo corta y tritura la comida y la mezcla con saliva, y el órgano que le sigue, el esófago, es un tubo cuya única función es llevar la comida al estómago. Boca: reduce la comida a trozos pequeños (masticación) y la mezcla con la saliva Esófago: conduce el alimento desde la boca hacia el esófago Aparato digestivo: degrada todos los componentes de los alimentos para que las moléculas resultantes tengan un tamaño suficientemente pequeño para pasar a la sangre. 110 CAPÍTULO 5 diferentes organismos, diferentes niveles de complejidad No todos los organismos pluricelulares tienen aparatos y sistemas de órganos. Algunos, como las medusas, solo llegan a formar tejidos y no se reconocen órganos en su cuerpo que es estructuralmente muy simple. Las plantas tienen órganos pero no trabajan en conjunto formando aparatos o sistemas. Las lombrices, los caracoles, los insectos, los peces, los sapos, las tortugas, las palomas, las vacas y los humanos son ejemplos de los máximos niveles de complejidad. 5 Tejido epitelial del estómago: detalle de células secretoras de jugos gástricos Individuo: perro. Nivel de organización: sistemas de órganos. Detalle de sistema digestivo y respiratorio Órgano: estómago. Formado por capas de tejidos diferentes Detalle de una molécula de fosfolípido. Las esferas de colores representan átomos diferentes que componen la molécula Célula del tejido epitelial: detalle de la membrana celular compuesta por moléculas de proteínas y fosfolípidos Niveles de organización Actividades Niveles de organización Determinen a qué nivel de organización corresponde cada una de las estructuras en negrita. Discutan y escriban una nueva afirmación, en cada caso, corrigiendo los conceptos erróneos. a) Los glóbulos rojos tienen sangre en su interior ...................................................................... b) Las neuronas son órganos del tejido nervioso ........................................................................ c) El sistema digestivo no tiene diferentes tejidos. Solo tiene órganos como el estómago ………………………………………………………………............…………………………………. d) El tejido muscular está formado por músculos ....................................................................... e) Los organismos unicelulares forman tejidos .......................................................................... f) Los organismos pluricelulares no tienen átomos porque están formados por células …… …………………………………………………………………………...........…………………….. 111 5 La vida: unidad y diversidad Las propiedades de la vida Cambian los individuos, cambian las especies Hay una característica sumamente importante sin la cual, ni bien hubiera aparecido la vida en nuestro planeta, inmediatamente se habría extinguido: la reproducción. Reproducirse implica generar descendientes con similares características, e inicia un ciclo de vida que finaliza con la muerte. Los seres vivos cuando se reproducen no solo dejan descendencia sino que le transmiten sus características. Naturalmente un caracol tendrá hijos caracoles, al igual que una madre humana, tendrá un bebé humano. Sin embargo, si tuviéramos en nuestras manos un viejísimo álbum de fotos con los retratos de nuestros antepasados que vivieron hace “apenas” tres millones de años, nos sorprendería ver que muchos de sus rasgos poco tienen que ver con la fisonomía humana actual. Observen las imágenes que les presentamos y hagan una lista de semejanzas y diferencias entre ellos. ¿Cuáles serán las más antiguas? ¿En qué se basa su elección? Antecesores humanos Esto evidencia que circunstancialmente pueden transmitirse variaciones de progenitores a hijos y que, al acumularse en una sucesión de numerosas generaciones, dan como resultado estas importantes diferencias. Estos cambios son útiles para poner a prueba la capacidad del individuo para adaptarse y sobrevivir en el ambiente en el que deberá desarrollar su vida. La adaptación es entonces la serie de ajustes que integran al individuo con su ambiente. Un cambio adaptativo útil 112 CAPÍTULO 5 se transmitirá a la siguiente generación cuando el ser vivo que lo posea se reproduzca. La continuidad de este proceso en generaciones sucesivas a lo largo del tiempo se denomina evolución y sirve para evitar la extinción de las diferentes formas de vida. La reproducción es una condición necesaria para la evolución. ¿Podrían explicar por qué? Mientras que las especies van cambiando en el tiempo por el proceso de evolución, que se mide en miles o millones de años, los individuos también cambian durante su propio ciclo de vida. Un ser vivo desde que nace hasta que finaliza su vida transita varias etapas que son determinadas por su crecimiento y desarrollo. El crecimiento consiste en aumentar el tamaño de un organismo. Un pluricelular crece aumentando el número de células que lo forman, mientras que los seres unicelulares lo hacen aumentando el tamaño de su única célula. El desarrollo ocurre en forma paralela y es la resultante de numerosos procesos internos destinados a ponerlo en condiciones para reproducirse en algún momento durante su vida. Implica cambios en la fisonomía o aspecto del individuo y también cambios fisiológicos, ya que su organismo comienza a ejercer nuevas funciones. En los insectos como la mariposa, el cambio de fisonomía es tan importante que el individuo adulto es completamente distinto al juvenil. Lo mismo ocurre con los sapos que son terrestres y al nacer viven en el agua y son semejantes a los peces. 5 Vocabulario Especie: conjunto de individuos que comparten similitudes anatómicas y que pueden cruzarse entre sí generando descendencia fértil (es decir, que sus hijos, tengan a la vez capacidad de reproducirse). ¿Sabías que...? Ciclos de vida muy cortos o muy largos Secuencia de la metamorfosis de la rana: el huevo eclosiona en el agua para originar un individuo similar a un pez. Un tiempo después se desarrollan las patas traseras y más tarde, las delanteras, mientras que la cola se reduce hasta desaparecer. La rana ya completamente formada comienza su vida terrestre y se convierte en adulto El ciclo de vida de un individuo puede variar muchísimo entre especies. Podemos mencionar el caso de la mariposa nocturna Atlas, una de las más grandes del mundo, que solo vive 7 días durante los cuales ni siquiera se alimenta y solo se reproduce; o el caso de las sequoias, árboles gigantes del hemisferio norte que miden más de 100 metros de altura, que pueden vivir hasta 2000 y aún 3000 años. 113 5 La vida: unidad y diversidad Actividades Los fósiles: evidencias de la evolución Los fósiles son rastros en forma de huellas, improntas, piezas anatómicas etc. que se han conservado bajo ciertas condiciones ambientales y geológicas y que pertenecieron a seres que habitaron la Tierra hace millones de años. Identifiquen qué tipo de seres actuales habrán evolucionado a partir de los que se observan en los fósiles de las imágenes. 114 CAPÍTULO Actividades ¿Una misma forma de crecer? Seguramente sus pediatras habrán registrado mes a mes su peso y talla desde que nacieron durante su primer año de vida. Esos datos suelen figurar en la libreta sanitaria. A partir de la tabla dada grafiquen sobre el eje horizontal el tiempo (en meses) y sobre el otro eje la estatura en cm. Hagan otro gráfico igual en el cual sobre el eje Y representen el peso en kg. Luego comparen las curvas que obtienen con las de sus compañeros. Para eso deben ponerse de acuerdo y usar la misma escala para graficar. ¿Son parecidas? ¿Qué conclusión pueden sacar? ¿Qué ocurrirá con esa curva una vez llegada la adultez? Edad (meses) Peso (kg) Talla (cm) 0 3,2 47 1 3,7 50 2 4,5 55 3 5,0 57 4 5,8 60 5 6,6 63 6 7,1 66 7 7,3 67 8 8,1 69 9 8,5 70 10 8,7 71 11 8,9 72 12 9,0 73 5 5 115 5 La vida: unidad y diversidad nada funciona sin energía Ya dijimos que la computadora requiere de una fuente de energía para que funcionen sus circuitos electrónicos. En los seres vivos la fuente de energía es el alimento, por el cual incorporan materia a su organismo. Allí comienza el proceso de nutrición: parte de los nutrientes que consumieron se transforma en energía para realizar funciones como desplazarse, mover partes del cuerpo, desarrollarse, reproducirse, generar nuevas células para crecer y mantener con vida aquellas que forman su estructura corporal. Esto incluye complejas transformaciones, las reacciones químicas, que se realizan dentro de cada una de sus células, mediante las cuales ciertas sustancias se crearán o se destruirán para generar otras diferentes. El conjunto de reacciones químicas celulares se denomina metabolismo. El metabolismo es una parte fundamental del proceso de nutrición. Para que las células reciban las materias primas necesarias, en los pluricelulares más complejos existen varios órganos que deben intervenir en una acción coordinada. Entre otras cosas, ellos procesan los alimentos y también el aire respirado. Al mismo tiempo intervienen para eliminar los desechos resultantes de las reacciones químicas celulares. Nutrición en unicelulares Ser vivo unicelular: sistema abierto Metabolismo Alimento (ingreso de materia) Aire (ingreso de materia: oxígeno) Energía (reacciones químicas) Materias primas (calor) Energía y sustancias útiles Desechos metabólicos (egreso de materia) Nutrición en pluricelulares Ser vivo pluricelular: sistema abierto Células (sistemas abiertos) Energía y sustancias útiles Energía (calor) Metabolismo celular (reacciones químicas) Materias primas Alimento (ingreso de materia) Procesamiento de sustancias Desechos metabólicos celulares Organismo (sistema de órganos) Aire (ingreso de materia: oxígeno) 116 Desechos (egreso de materia: dióxido de carbono / materia fecal y orina) CAPÍTULO 5 Para un ser vivo unicelular la nutrición es bastante menos trabajosa, ya que se lleva a cabo enteramente en el interior de la única célula que lo constituye. Por otro lado, un ser vivo genera siempre residuos o desechos como producto de estos procesos y los elimina al exterior. La orina y la materia fecal son ejemplos de eso. Si se bloqueara este intercambio entre un ser vivo y su entorno, sería imposible mantener las funciones metabólicas vitales y el individuo moriría. Podemos enunciar entonces otra característica propia de la vida: todo ser vivo es obligatoriamente un sistema abierto, porque debe necesariamente intercambiar materia y energía con su entorno. 5 La relación con el medio y el equilibrio interno Vimos que los cambios en las especies se logran por evolución y son muy lentos y graduales ya que requieren de miles o millones de años. También aprendimos que los cambios de un individuo se logran por crecimiento y desarrollo y demandan un tiempo más breve (lo que dura su ciclo de vida). Nos preguntamos ahora: ¿qué cambios se dan en un organismo minuto a minuto? Podemos pensar el interior de un ser vivo como un complejo sistema con una dinámica permanente: cada una de los elementos que lo componen está en actividad incesante. Por ejemplo, la nutrición y metabolismo son procesos continuos. Sin embargo, los seres vivos pueden mantener una estabilidad o equilibrio interno a pesar de que tanto su organismo como el ambiente que lo rodea estén en permanente cambio: esta capacidad se denomina homeostasis. Así como el ventilador (cooler) comienza a funcionar cuando la computadora genera calor en exceso, una serie de mecanismos se disparan cuando hacemos una actividad que implica un aumento de temperatura corporal: para disipar el exceso de calor, comenzamos a transpirar. Un rato más tarde estamos sedientos. Al beber restablecemos la cantidad de agua del cuerpo. Observemos a un perro: cuando tiene mucho calor jadea, toma agua y busca un lugar fresco para echarse. No solo el calor y retención de agua son muestras de la capacidad del organismo de autorregularse. Hay muchos otros parámetros que se mantienen estables dentro de ciertos límites: el nivel de azúcar o colesterol en sangre, son ejemplos de eso. La necesidad de ser sistemas abiertos y realizar intercambios con el medio hizo que los seres vivos se tuvieran que relacionar con el ambiente. Para aprovechar al máximo esta posibilidad fueron capaces de poner en práctica estrategias muy variadas. El medio externo, además de ser una fuente de recursos vitales como el alimento y el refugio, es una permanente fuente de estímulos o señales que los organismos captan y a los cuales responden en función de sus necesidades. Hay respuestas muy simples, como la orientación hacia la luz de la parte aérea de una planta, en busca de este recurso fundamental para su nutrición. Hay repuestas en animales que implican comportamientos complejos como puede ser la lucha cuerpo a cuerpo entre ciervos machos para que el más fuerte pueda reproducirse con la hembra elegida; o la paciente espera de un felino que acecha agazapado a su presa hasta atraparla en un descuido. Hay otros extremadamente complejos como Vocabulario Alimentación: proceso mediante el cual tomamos del mundo exterior una serie de sustancias que contienen los alimentos y son necesarias para la nutrición. Nutrición: conjunto de procesos mediante los cuales el organismo transforma e incorpora las sustancias que han de cubrir sus necesidades energéticas y estructurales. Estímulo: todo cambio interno o del ambiente que un ser vivo puede captar y generar una respuesta. 117 5 La vida: unidad y diversidad leer este texto y comprender la información que transmite, cosa que ustedes están haciendo en este momento. Se define como irritabilidad a la capacidad de captar y responder a los estímulos. Estos no solo pueden provenir del medio externo sino también del propio organismo, como por ejemplo la sed, de la que hablamos anteriormente. reConsiderando... A esta altura no les quedarán dudas de que una computadora no es un objeto viviente por más que cumpla ciertas funciones compatibles con la vida. Otra prueba de ello es que ninguna máquina de este tipo, ni aún la más “inteligente”, ha logrado operar con el extraordinario nivel de complejidad del cerebro humano. Por otro lado, también es cierto que en el mundo de los seres vivos ciertas funciones pueden no utilizarse y no por ello un ser vivo deja de serlo. Algunos animales transcurren su vida sin reproducirse por estar separados de sus congéneres, tal es el caso de las mascotas domésticas. Aunque no se reproduzcan tienen potencialmente la posibilidad de hacerlo. Actividades Estudio de un informe de laboratorio de análisis clínicos Busquen un informe de laboratorio de análisis clínicos. Seguramente ustedes o sus familiares conservarán alguno. En un análisis de rutina, se hace un recuento de las células presentes en la sangre (hemograma). También se evalúa el nivel de azúcar en sangre (glucemia). Anotar los datos obtenidos y los valores normales: Parámetro medido Valores normales Valores del paciente N° de glóbulos rojos N° de glóbulos blancos Nivel de glucosa (glucemia) Comparen los resultados con los de sus compañeros. ¿Coinciden? ¿Son diferentes a los valores normales? ¿Con qué característica de los seres vivos se relaciona lo que acaban de observar? 118 CAPÍTULO 5 Actividades finales de integración 1) Completen el cuadro definiendo cada característica de los seres vivos. Característica Definición Conformación celular y nivel de organización 5 Ciclo de vida Crecimiento y desarrollo Adaptación y evolución Reproducción Metabolismo y nutrición Sistemas abiertos Homeostasis Irritabilidad Composición química y nivel de organización 2) Completen las líneas punteadas nombrando a qué característica de los seres vivos se hace referencia en cada oración. Justifiquen la elección. a) Las pupilas de los ojos de un gato se agrandan cuando está en un lugar oscuro y se achican inmediatamente cuando se los enfoca con una luz ................................................................. b) Las células del tallo de los árboles jóvenes están vivas e incorporan sustancias y energía solar normalmente. Un tiempo después se forma la corteza, para lo cual las células se rodean de una gruesa capa serosa de suberina y pierden comunicación con el exterior. Como consecuencia, estas células, al quedar aisladas del medio, mueren y solo sirven como protección del tallo contra la deshidratación y el daño físico. ¿Qué cualidad pierden esas células? .................... ..................................................................................................................................................... c) Las liebres tienen grandes orejas que sirven de pantallas para disipar calor de su sangre cuando sube la temperatura corporal; de este modo su cuerpo funciona siempre bajo las mismas condiciones ................................................................................................................................ d) Los leones machos cuando llegan a adultos tienen una melena abundante que los distingue de las hembras, y comienzan a cortejarlas ya que llegaron a la madurez sexual ................... ..................................................................................................................................................... e) Las diferentes especies de monos de África y Asia se diferencian de los de América en que estos últimos tienen una cola que se utiliza muchas veces como una quinta extremidad y los ayuda a trepar ya que se enrosca en las ramas. Los monos africanos y asiáticos no tienen cola y sus nalgas desarrollaron unos callos duros que funcionan como almohadillas para sentarse ... ..................................................................................................................................................... f) La superficie de un pan húmedo desarrolla una colonia de hongos que se visualiza como una mancha verdosa. Esta colonia se hace más numerosa en pocas horas, y la mancha abarca mayor superficie ........................................................................................................................ g) Cuando un temporal derriba los árboles más altos en un área extensa, se observa que muchos pájaros comienzan a anidar en los aleros de los techos ......................................................... 119 5 La vida: unidad y diversidad Actividades finales de integración 3) Como vimos en el texto, la célula se considera una unidad estructural, funcional y de origen. Cada una de estas cualidades se relaciona con una característica de los seres vivos ¿Con cuál en cada caso? Justifiquen su elección. Cualidad de la célula Característica relacionada/Justificación Unidad estructural Unidad funcional Unidad de origen 4) Lectura: “Criopreservación: cuando el frío ‘suspende’ la vida” Lean el texto y respondan las preguntas que figuran a continuación. “La criopreservación es una técnica para conservar células durante un tiempo prolongado sin que mueran o se dañen, que se basa en deshidratarlas (sacar el agua que contienen en su interior) y reemplazar el líquido por sustancias que la hacen resistente al frío. Si el agua no se extrajera se congelaría y formaría cristales que con sus puntas afiladas romperían las células. El segundo paso es ir bajando la temperatura paulatinamente hasta que se las coloca en recipientes especiales con nitrógeno líquido, y así permanecen almacenadas a una temperatura de -196° C (196 grados bajo cero), hasta que se las utilice. A estas temperaturas extremadamente bajas las células dejan de hacer sus reacciones químicas. Tampoco pueden ingresar o salir sustancias de su interior. Las células están inactivas pero no muertas. Su vida está suspendida momentáneamente hasta que se las vuelva a colocar a temperatura ambiente. Esta forma de conservación de células es muy utilizada en la actualidad para preservar las llamadas células madre, que se pueden extraer del cordón umbilical en el momento en que nace un bebé. Estas células se llaman así porque tienen la capacidad de poder convertirse en cualquier tipo de célula del cuerpo: células del corazón, neuronas, etc., y así pueden reparar cualquier tejido dañado de un órgano. Se espera que en un futuro más o menos próximo se puedan utilizar en el tratamiento de enfermedades como la diabetes (que afecta al páncreas, órgano del sistema digestivo), enfermedades cardíacas y lesiones de la médula espinal o el cerebro (sistema nervioso).” Fuente: texto armado por los autores basado en información de las siguientes páginas web: www.saegre.org.ar; consulta online del artículo “Criopreservación de células madre de cordón” Autores: Chillik Claudio y Bayo, Román; Revista de endocrinología ginecológica y reproductiva. Y www. es.wikipedia.org/wiki/criobiología. a) Definan criopreservación y expliquen el procedimiento para realizarla. b) ¿Qué condición especial tienen las células cuando están a temperaturas tan bajas? ¿Cómo se logra que vuelvan a la normalidad? c) ¿Qué son las células madre y por qué son tan importantes? 120 CAPÍTULO 6 Biodiversidad la diVersidad de la Vida: solo se trata de ViVir... Habitamos el planeta Tierra. Apenas un punto en el Universo conocido. USTED ESTÁ AQUÍ Galaxia Vía Láctea, foto de la NASA. Ubicación del sistema solar tomada de Revista National Geographic en español. Edición especial: Espacio: frontera del pasado y del futuro Todavía no sabemos si tenemos “vecinos” en algún otro planeta, y de ser así, si la vida en otro lugar del espacio se presenta bajo las mismas condiciones y formatos que en el nuestro. ¿Habrá plantas y animales como en la Tierra? De hecho, alienígenas, marcianos, extraterrestres, de variados aspectos, semi humanos, robóticos o monstruosos, amigables o malvados, desfilan por las pantallas del cine y la televisión, y permiten crear con la imaginación lo que la ciencia todavía no pudo explorar. Habrá que esperar hasta que la tecnología humana avance y haga posible indagar en el espacio exterior en busca de seres animados. Por ahora nos vamos a conformar estudiando la vida en la Tierra. 6 Biodiversidad La biósfera es la parte de nuestro planeta que brinda el espacio físico para el desarrollo de la vida bajo las condiciones que acabamos de analizar en el capítulo anterior. Abarca unos 10 km en las profundidades marinas y otro tanto en la atmósfera, y toda la superficie de tierra que cubre los cinco continentes, desde los polos helados hasta las zonas tropicales del ecuador. Allí conviven cerca de un millón ochocientas mil especies diferentes. Sin embargo, los científicos estiman que hay al menos diez millones de especies, un número asombroso que nos lleva a pensar que la gran mayoría de formas de vida del planeta todavía están por descubrirse. ¡Y nosotros tan preocupados por los extraterrestres! Lo que acaban de ver en la doble página es un colorido despliegue de diferentes formas de vida que habitan todos los rincones de la biósfera. Es apenas una muestra de la biodiversidad (variedad de seres vivos) del planeta. Todos ellos comparten las mismas características básicas que les otorga su cualidad de estar vivos, pero hay una gran variedad de formas y mecanismos para llevar a cabo esas funciones vitales. Esto es posible gracias a algo común a todos los seres vivos que es su material genético que está conformado por el ADN presente en cada una de sus células. Allí está codificada toda la información hereditaria para generar descendencia con características muy similares a las de sus progenitores. Es como una “receta” que contiene las instrucciones acerca de cómo “fabricar” un ser vivo en especial. Lo que hace diferente una especie de otra es el tipo de información que está contenida en su ADN. El ADN es lo que nos hace “iguales pero distintos”. Esta diversidad que hoy nos maravilla fue motivo de desvelo para los primeros científicos que buscaron modos de clasificar formas de vida en base a características comunes para facilitar su estudio. Criterios de clasificación Les proponemos hacer una exploración en el jardín de su escuela o de sus casas. Observen atentamente y con mucho cuidado junten en una caja todo lo que les parezca que tiene vida. Anoten dónde lo encontraron. Luego junten las muestras de varios compañeros y discutan entre todos cómo los clasificarían según sus semejanzas y diferencias. ¿Con qué criterios los agruparían? Seguramente habrán surgido varias propuestas, lo cual demuestra que existen muchos criterios posibles para agrupar objetos. En el caso de los seres vivos, la sistemática, una de las ramas de las ciencias biológicas, se ocupa de estudiar analíticamente la diversidad de los organismos vivientes. Los conocimientos de la sistemática sirven para que los biólogos que se dedican a la taxonomía diseñen sistemas de clasificación que los agrupen para facilitar el trabajo de científicos y naturalistas que estudian la biodiversidad. Más allá de las diferencias que se aprecian en el aspecto externo de los seres vivos y que también se utilizan en taxonomía, analizaremos otras características más difíciles de observar, que nos permitirán clasificar a los seres vivos según criterios como: el tipo de célula que los constituye; su nutrición; su forma de reproducción; la relación con el medio. 124 CAPÍTULO diversidad celular Hay una gran diversidad de células, pero son dos los “modelos” principales. La célula más simple llamada procariota (pro, que significa anterior; carion, que significa núcleo) está presente en las bacterias (unicelulares que, entre otras cosas, nos producen las enfermedades que se curan con antibióticos). Es una célula simple, sin núcleo definido, cuyo ADN está suelto en el citoplasma, una sustancia similar a un gel. Las bacterias más pequeñas miden 1 micrómetro (teniendo en cuenta que un micrómetro es diez mil veces menor que un cm) y suelen tener estructuras que le dan movilidad propia. 6 ADN Cápsula con pelos adherentes Membrana celular Ribosomas Pared celular 6 Célula procariota sin núcleo. Ejemplo: bacterias El otro tipo de célula es la eucariota (eu, que significa verdadero; carion, núcleo), considerablemente más grande (más de 10 y hasta 30 micrómetros), en su citoplasma contiene una serie de estructuras de variadas formas y funciones llamadas organelas. La organela más compleja es el núcleo que encierra el ADN. La mayoría de los seres vivos tienen células eucariotas. Hay dos tipos básicos: la célula eucariota animal y la eucariota vegetal. Las diferencias entre ellas podrán registrarlas ustedes mismos, si son buenos observadores, a partir de los esquemas que les presentamos a continuación. Dictiosoma (equivalente al Aparato de Golgi en la célula animal) Envoltura nuclear Núcleo ADN Ribosomas Mitocondria Membrana plasmática Pared celular: capa exterior que mantiene la forma de la célula Célula eucariota (con núcleo) vegetal Retículo endoplasmático rugoso Retículo endoplasmático liso Vacuola central Cloroplasto: orgánulo fotosintético; transforma la energía de la luz solar en energía química almacenada en moléculas de hidratos de carbono 125 6 Biodiversidad Célula eucariota (con núcleo) animal ADN: Material genético RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO RE Liso RE Rugoso NÚCLEO Membrana plasmática: Envoltura nuclear membrana que rodea a la célula Ribosomas Aparato de Golgi Mitocondría diversidad de formas de nutrición Todo ser vivo necesita alimento para sobrevivir. Muchos incorporan sustancias alimenticias complejas del ambiente en que viven, y son llamados heterótrofos (palabra que deriva del griego y significa “el que se alimenta de otros”). Cuando estas moléculas se degradan se obtiene la energía necesaria para cumplir las funciones vitales. El ingreso de moléculas al organismo ocurre a través de estructuras diferenciadas como la boca, por medio de la ingestión. Los heterótrofos que no tienen boca lo hacen por absorción a través de la superficie de sus células; es el caso de algunos unicelulares y hongos. Pero... ¿Qué comen los que comen? Los herbívoros: se alimentan de plantas (semillas, hojas, frutos, raíces). Ejemplo: los pájaros, los insectos, los roedores, etc. Los carnívoros: se alimentan de animales. Ejemplo: los felinos (el puma, el león, etc.). Los omnívoros: se alimentan de materia vegetal o animal indistintamente. Ejemplo: los monos. Los saprófitos: se alimentan de materia en descomposición (restos de organismos muertos, hojas caídas, materia fecal, etc.). Ejemplo: los hongos y las bacterias que viven en el suelo. 126 CAPÍTULO 6 Las plantas y las algas (que son seres acuáticos unicelulares o pluricelulares) son especialmente hábiles en cuestiones de “comida”: no necesitan incorporarla del exterior ya que son capaces de fabricar su propio alimento en por un proceso llamado fotosíntesis. Por esa razón se los califica como autótrofos (en griego auto significa “propio”). Para realizarlo les basta con ingresar a su organismo sustancias sumamente simples como el dióxido de carbono (gas presente en el aire) y agua. Luego, con ayuda de la energía del sol se construyen las moléculas más complejas de alimento que se podrán almacenar o usarse para obtener energía. Diversidad de formas de reproducción 6 Los seres vivos pueden generar descendencia por reproducción asexual o sexual. En la reproducción asexual un único individuo es capaz de originar nuevos seres que son clones, es decir, genéticamente idénticos al inicial (con el mismo ADN) Esto puede ocurrir: A través de la utilización de una parte de su cuerpo. Por ejemplo, se corta un gajo de una planta, se lo coloca en tierra y al cabo de un tiempo, surge una nueva planta. Los bulbos, como la cebolla, los tallos subterráneos, como la papa, o rastreros, como la frutilla, pueden originar una planta completa. También las estrellas de mar pueden generar un individuo completo a partir de un fragmento del cuerpo. En el caso de unicelulares, se utiliza la bipartición: la célula inicial se divide en dos células hijas idénticas. A partir de una única célula especializada. Esto ocurre en las plantas a través de la célula llamada espora que cae al suelo y germina dando lugar a otro individuo. Células de bacterias reproduciéndose por bipartición La reproducción sexual requiere del encuentro de dos células reproductoras llamadas gametas que se fusionan (acción denominada fecundación) y originan una nueva célula, la cigota, que se divide innumerables veces hasta que se conforma el nuevo ser. Las dos gametas pueden provenir de un mismo individuo o de dos diferentes. Desde la cigota hasta el nacimiento del nuevo individuo hay tres tipos de desarrollo: 1) Desarrollo externo, es decir, fuera del cuerpo de la hembra. Esto se da en los ovulíparos: las células reproductoras femeninas se liberan en el agua y a continuación el macho libera sus espermatozoides sobre ellas y las fecunda. En este caso la fecundación ocurre fuera del cuerpo de la hembra (fecundación externa). La ovuliparidad puede darse solo en organismos acuáticos y el huevo resultante no tiene cáscara, ya que está protegido de la desecación por estar sumergido en el agua. Ejemplo: los peces. Y también se da en los ovíparos: si bien la fecundación es interna, el desarrollo ocurre dentro de un huevo en el cual se encuentran todos los nutrientes necesarios, pero fuera del cuerpo de la hembra. Ejemplo: las aves. 2) Desarrollo interno, es decir con fecundación interna y desarrollo dentro del cuerpo de la hembra. Es el caso de los vivíparos: la gestación ocurre dentro de un órgano especializado, el útero, allí recibe protección y nutrientes permanentemente. 127 6 Biodiversidad 3) Desarrollo mixto: con un período dentro de la hembra y un período en el que se completa el desarrollo fuera de ella. Es el caso de los ovovivíparos (algunas víboras). Actividades ¿Con o sin ombligo? Lean la historieta de Mafalda. Investiguen qué es el ombligo y explíquenle a su hermano Guille qué tipo de desarrollo tienen los animales que lo poseen. Ayuden a Mafalda a pensar otros ejemplos de seres ovíparos además de los que ella nombró. diversidad de formas de relación con el ambiente Los unicelulares y las plantas responden a estímulos en forma más limitada que los animales. Tienen comportamientos orientados, es decir se producen acercamientos o alejamientos con respecto a una fuente de estímulo. La inclinación de los tallos hacia la luz o el crecimiento de las raíces huyendo de ella son ejemplos de estos comportamientos. La mayoría de los animales pueden desplazarse y los más complejos poseen un sistema nervioso que se encarga de captar esas señales, procesarlas y coordinar todas las acciones que se realizan como respuesta. El ambiente aporta el hábitat o espacio físico a los seres vivos: en él se adaptan, reaccionan a los diversos estímulos, encuentran alimento y refugio. Según el hábitat los seres vivos pueden ser: Acuáticos: de agua dulce (viven en ríos, arroyos, lagos o lagunas) o de agua salada (marinos). Aeroterrestres: los animales que pueden volar, si bien tienen refugio en tierra, se desplazan por el aire. Terrestres. Los hábitats terrestres son muy variados: la selva, el bosque, el pastizal, el desierto. 128 CAPÍTULO 6 En términos generales, los organismos acuáticos tienen formas alargadas, con superficies lisas para deslizarse mejor en el agua, y escamas que se disponen como las tejas de un techo; también tienen extremidades en forma de aletas para nadar. Los aeroterrestres tienen alas con grandes superficies planas para poder sustentarse en el aire y adaptaciones especiales para reducir su peso, por ejemplo, esqueletos livianos. Los organismos terrestres tienen gran diversidad de formas. Tienen varias alternativas de locomoción, por lo cual algunos tienen extremidades para caminar, correr, saltar o reptar. 6 Sistema de clasificación actual Ya dijimos que los sistemas de clasificación son agrupaciones hechas por los científicos con fines de estudio. La sistemática y la taxonomía, como toda rama de la ciencia, están sometidas a permanente revisión y cambio. Hasta hace poco se mantenía vigente un sistema de clasificación creado por en 1969 por Robert Whittaker, quien agrupaba a los seres en cinco reinos. Recientemente, como resultado de estudios taxonómicos más rigurosos, los científicos han creado un sistema de clasificación que reúne a los seres vivos en tres dominios: Dominio Archaea: incluye un tipo especial de unicelulares procariotas llamadas arquibacterias. Dominio Bacteria: agrupa bacterias del reino Monera, seres unicelulares y procariotas. Dominio Eukarya: es el dominio más numeroso y variado. Dentro de él se encuentran los organismos del Reino Protista, Reino Plantas, Reino Hongos y Reino Animal. Todos son eucariotas, la mayoría pluricelulares, aunque hay representantes unicelulares. Más allá de todo replanteo en los sistemas de clasificación, la forma de dar el “nombre y apellido” a cada ser vivo no ha cambiado desde 1748. En ese año, el naturalista Linneo publicó una modalidad llamada nomenclatura binomial para nombrar a los seres vivos con la finalidad de evitar los equívocos que se podrían generar usando sus nombres vulgares. Linneo asignaba un nombre doble en latín para identificar el género y especie de cada individuo. Él mismo creó más de 11000 nombres científicos binomiales. El humano, por ejemplo, fue “bautizado” como Homo sapiens, que quiere decir “hombre sabio”. Las categorías género y especie se incluyen dentro de la de reino. En un mismo reino hay muchos géneros, y a su vez dentro de un mismo género hay gran diversidad de especies. También existen otras categorías taxonómicas intermedias: DOMINIO > REINO > TIPO > CLASE > ORDEN > FAMILIA > GÉNERO > ESPECIE A modo de ejemplo, identificaremos a la ballena franca austral (animal que frecuenta las costas de Puerto Madryn, provincia de Chubut, durante varios meses del año). Los invitamos a recorrer esta biodiversidad, y explorar sus características distintivas más de cerca en los próximos capítulos. 129 6 Biodiversidad Nombre vulgar: ballena franca austral Nombre científico: Eubalaena australis Identificación taxonómica: Dominio Reino Tipo Clase Orden Familia Género Especie Eukarya Animal Cordados Mamíferos Cetáceos Balénidos Eubalaena australis Nota: si bien se utiliza el latín para todas las categorías taxonómicas, algunas se han adaptado al español para facilitar la comprensión. El nombre de la especie se escribe en minúscula por convención. Actividades Las claves dicotómicas, una herramienta científica ¡A jugar al “Quién es quien”! Seguramente recordarán este juego de mesa en el cual para cada jugador hay un tablero con figuras de personas de diferentes sexos y rasgos fisonómicos, todos son posibles espías. El juego consiste en adivinar quién es el espía en cuestión, haciendo una serie de preguntas que el contrincante (el único que puede ver el tablero), deberá responder únicamente con un SÍ o con un NO. De ese modo se van descartando posibilidades hasta identificar a uno solo de ellos. Prueben jugar en clase y se darán cuenta de la mecánica del juego fácilmente. Sin que ustedes lo notaran este juego les enseñó la forma de realizar lo que en ciencia se llama clave dicotómica. Una dicotomía es justamente una doble alternativa que permite agrupar cosas: las que cumplen con ese criterio por un lado y las que no cumplen con él por otro lado. Prueben construir una clave dicotómica que permita subdividir grupos cada vez más pequeños hasta poder separar a cada uno de los seres fotografiados en la doble página (volver al comienzo del capítulo). Usen criterios que ustedes puedan observar, al igual que en el juego. Consejo: pueden fotocopiar la doble página y recortar las imágenes y así podrán probar diferentes criterios de agrupación usando las figuras recortadas para visualizar mejor el proceso. 130 CAPÍTULO 6 ¡a seguir jugando! Para animarse a más... ¿Quién es quién en la flora y fauna argentina? Pueden armar su propio tablero de “Quién es quién” y buscar imágenes de representantes de la flora y fauna argentina para jugar. Después pueden donarlos a la biblioteca de la escuela como material didáctico para que otros compañeros puedan aprender jugando. 6 Lectura “Hábitats amenazados, biodiversidad en peligro” “Los bosques concentran más de la mitad de la biodiversidad del planeta, juegan un papel fundamental en la regulación climática, el mantenimiento de las fuentes y caudales de agua, y la conservación de los suelos. De ellos obtenemos bienes y servicios indispensables para nuestra supervivencia como alimentos, maderas y medicinas. Otro beneficio esencial es su función (...) estabilizadora del efecto invernadero que genera el dióxido de carbono en la atmósfera. Además, son una fuente importante de recursos económicos, como la renta maderera, el turismo y el ecoturismo. El manejo de los bosques repercute inevitablemente en la conservación de los demás recursos naturales renovables, en la diversidad biológica y en el equilibrio ecológico local, regional y global. Unos 60 millones de indígenas viven en los bosques de América Latina, Asia sudoriental y África occidental. Se calcula que unas 1600 millones de personas en todo el mundo dependen de los recursos forestales para su subsistencia. La Argentina ya perdió el 70 % de sus bosques nativos originales y la deforestación aumentó fuertemente en la última década (...) más de 2,5 millones de hectáreas de bosques nativos fueron deforestadas. Muchos de estos desmontes significaron el desalojo de cientos de familias campesinas e indígenas. Frente a esta dramática situación el 28 de noviembre de 2007 se sancionó la Ley N° 26 331 de Presupuestos mínimos de protección ambiental de los bosques nativos, que establece la suspensión de nuevos permisos de desmontes hasta que cada provincia realice el ordenamiento territorial de sus bosques nativos en forma participativa. Además la Ley obliga a hacer un estudio de impacto ambiental antes de autorizar nuevos desmontes, exige respetar los derechos de indígenas y campesinos sobre los bosques que habitan.” Fuentes: www.greenpeace.org.ar Regiones forestales de la Argentina (Greenpeace) / Publicación Greenpeace en acción N°63 Verano 2011: “Ley de bosques: una cuestión de fondo”. Autor: Hernán Giardini (Adaptado por los autores) 131 6 Biodiversidad Vocabulario Hectárea: una hectárea es una unidad de medida de superficie y equivale al área que abarca una manzana de terreno (un cuadrilátero de 100 m de lado, equivale a 10 000 metros cuadrados). Deforestación: despojar un terreno de vegetación de bosque, talar sus árboles y desmontar, es decir, arrancar arbustos y vegetación de menor tamaño, para dejar la superficie libre para ser usada con un fin determinado, por ejemplo, el cultivo o la cría de ganado. Actividades Luego de leer atentamente el texto de la página anterior, resuelvan estas consignas: 1) Expliquen el sentido del título. Hagan una lista enumerando todas las razones por las cuales es importante conservar los bosques. Pueden hacer afiches y colocarlos en distintos lugares de la escuela para informar sobre este tema. 2) Las regiones forestales argentinas son: Selva de Yungas, Monte, Bosque Andino Patagónico, Selva Misionera, Parque Chaqueño y Espinal. Investiguen qué zonas de nuestro país abarca cada una y confeccionen un mapa que grafique esa información. 3) ¿Qué aporte hizo el Estado nacional para preservar los bosques? ¿Qué aporte podemos hacer cada uno de nosotros para que no se talen tantos árboles? 132 CAPÍTULO 7 Las plantas como sistemas autótrofos Para comenzar tengamos en cuenta que… ... pertenecen al Reino Vegetal (Dominio Eukarya). ... la ciencia que se ocupa de su estudio es la Botánica. ... son organismos pluricelulares. ... poseen células eucariotas vegetales. ... son organismos autótrofos, pues fabrican su propio alimento a través de la fotosíntesis. Los vegetales otorgan infinidad de beneficios a la trama de la vida. Proveen alimento, regulan el clima, colaboran con la fertilidad del suelo, albergan a muchas otras especies, entregan oxígeno a la atmósfera, a partir de ellos se obtienen diversos productos… pero también, recrean nuestros sentidos en floreros, macetas y jardines y nos enamoran con sus perfumes. Si bien existe una amplia biodiversidad entre las plantas podemos clasificarlas en dos grupos bien diferenciados: las que tienen sistema vascular (conjunto de tubos que permiten el transporte de agua, sales minerales, azúcares y otros nutrientes a través del cuerpo de la planta) y las que no poseen dicho sistema vascular. ClasIFICaCIón de las Plantas PLANTAS PLANTAS NO VASCULARES (Sin sistema vascular) BRIOFITAS PLANTAS VASCULARES (Con sistema vascular) Sin semillas PTERIDOFITAS Con semillas Desnudas PINOFITAS Protegidas MAGNOLIOFITAS 7 Las plantas como sistemas autótrofos Plantas no vasculares o Briofitas Los musgos son las briofitas más conocidas –aunque hay gran variedad de grupos de estas plantas– y habitan lugares húmedos y sombreados. Son las primeras plantas terrestres. Como no tienen raíces ni estructuras especializadas para transportar el agua que necesitan, absorben la humedad directamente de las estructuras aéreas. No tienen órganos diferenciados, se fijan al sustrato a través de pequeños rizoides y poseen pequeñas hojuelas. Son indicadores sensibles de la contaminación ambiental ya que desaparecen en lugares con alta polución atmosférica o también, llegan a acumular en sus células los metales pesados del suelo. Entre las plantas vasculares distinguimos: Pteridofitas Son los helechos que habitan preferentemente las zonas tropicales. En general poseen tallos sencillos y en muchos casos, subterráneos. Existen algunos helechos arborescentes que sorprenden por la altura de sus tallos, los que pueden llegar a medir entre 15 y 20 metros. Poseen hojas divididas en pequeños folíolos. Pinófitas Son las comúnmente llamadas “coníferas”, entre las que se incluyen el pino, la araucaria, la secuoya, la tuya, la cyca y el gingko, entre otras. 134 Briofitas de México Alsophila setosa o “Chachí Bravo”. Autora de la foto: Marcela Sánchez Helecho. Autor de la foto: Marcelo Roca Helecho. Autor de la foto: Marcelo Roca 7 CAPÍTULO Muchas coníferas poseen las hojas con forma de aguja (acicular) y una gruesa capa protectora, que les permite estar adaptadas a la falta de humedad del lugar donde viven, ya sea en suelos áridos o congelados con baja disponibilidad de agua. Magnoliófitas Son las comúnmente llamadas “plantas con flores”. Las hay acuáticas y terrestres. Incluyen a los árboles, las hortalizas, las hierbas, las gramíneas y los arbustos. Se caracterizan por poseer flores y frutos. Las plantas magnoliófitas poseen los siguientes órganos: raíz, tallo, hoja, flor y fruto. 7 Araucaria angustifolia o pino Paraná. Autor de la foto: Marcelo Roca Flor Fruto Hoja Es una estructura que permite a la planta el intercambio de gases, captar la máxima cantidad de luz y conservar el agua. Poseen internamente un sistema vascular que transporta agua, sales minerales (xilema) y glucosa (floema), que en su conjunto se llaman nervios o nervaduras. Tiene una cubierta cérea llamada cutícula y orificios que están mayoritariamente en la parte inferior, llamados estomas que se abren o cierran según la necesidad de intercambiar gases (vapor de agua, dióxido de carbono u oxígeno). Existen diferentes adaptaciones de las hojas a las necesidades que somete el ambiente a las plantas. Por ejemplo en climas fríos las hojas tiene forma de aguja con una gruesa cutícula que evita la pérdida de agua, en climas desérticos las hojas son pequeñas o se transforman en espinas para evitar la evaporación. También pueden ser muy carnosas, adaptadas para guardar el agua. Myrtillocactus geometrizans Agave botterii Tallo Hoja Raíz Pinus pinea 135 7 Las plantas como sistemas autótrofos Raíz Permite que la planta se fije al sustrato y absorba el agua y sales minerales. Posee pelos radicales muy delicados que son los encargados de la absorción y sistema vascular xilema y floema. Existen adaptaciones de las raíces al ambiente, por ejemplo en los manglares hay raíces aéreas que salen del suelo inundado para captar el oxígeno y permiten la aireación. Muchas de ellas son una gran reserva de alimento, como la zanahoria y el nabo. Manglares Tallo Da sostén a las diferentes partes de la planta y transporta sustancias desde la raíz a las hojas y viceversa. Los tallos verdes están cubiertos por la cutícula y por estomas. Zanahorias Vocabulario Cutícula: capa cerosa que recubre la parte externa de hoja, tallo y fruto. Estomas: orificios que posee la hoja, por los que se realiza el pasaje de gases. Muchas plantas leñosas poseen un crecimiento en grosor principalmente del tallo, aunque también se da en raíces y ramas laterales. Seguramente habrán visto árboles en las veredas del barrio que poseen un tronco muy grueso. Alrededor del tallo se va formando una capa gruesa llamada corteza que sirve para proteger a la planta de la desecación, de las posibles heridas y ataques de los animales. Hay tallos adaptados a ambientes desérticos, como los de los cactus, que acumulan mucha agua en su interior. Otros se engrosan y son reserva de alimento como por ejemplo, los tubérculos en las papas. Existen anillos de crecimiento en el interior del tallo que permiten, al hacer un corte transversal, estimar la edad del árbol y las condiciones climáticas de cada uno de los años de vida. El ancho de cada capa da idea de los factores ambientales de ese momento (agua, lluvias, luz, temperatura, etc.). Si las condiciones fueron favorables, los anillos son anchos y si son estrechos, fueron años en los que algún factor ambiental fue escaso o crítico. Carpelo: órgano reproductor femenino de la flor. Xilema: tubos que transportan la savia bruta (agua con minerales) desde la raíz hasta las hojas. Floema: tubos que transportan la savia elaborada (azúcares) desde las zonas fotosintetizadoras hacia el resto de la planta. 136 Rodaja de tronco de un árbol donde se observan los anillos de crecimiento CAPÍTULO 7 Flor La flor es el órgano reproductor de las magnoliófitas. Los órganos femenino y masculino pueden estar en la misma planta (hermafrodita) o en diferentes. Está formada por cuatro grupos de piezas: sépalos, pétalos, estambres y carpelos. Los sépalos son estructuras parecidas a las hojas y generalmente de color verde, que están en la base de la flor y su conjunto es lo que se llama cáliz. Hacia adentro se encuentran los pétalos, de diversos colores, su conjunto forman la corola. 7 En el interior de la corola se encuentran las estructuras reproductoras masculinas y femeninas, que pueden estar o no en la misma flor: el androceo (masculino) está constituido por estambres, donde se encuentran las anteras, que alojan a los granos de polen; y en el centro de la flor está el gineceo (femenino) formado por el estigma y el estilo, un tubito que conduce al ovario, en cuyo interior están los óvulos. Autor de la foto: Marcelo Roca Autor de la foto: Marcelo Roca Estambre Estigma Estilo GINECEO ANDROCEO Antera (granos de polen) Flor llamada “Dedalera”. En ella se pueden observar bien los sépalos. Autor de la foto: Jerry Harpur Pétalos Ovario (con óvulos) 137 7 Las plantas como sistemas autótrofos » Fruto Es el órgano que contiene a las semillas y que se forma a partir de la transformación del ovario. Existe gran variedad de frutos, algunos son carnosos (duraznos, aceituna, tomate, uva, manzana, pera), otros son secos (poroto, arveja, nuez, almendra, roble) y otros provienen de varios carpelos separados de una misma flor (frutilla). Autor de la foto: Marcelo Roca Vocabulario Rizoides: se dice de los pelos o filamentos que hacen las veces de raíces en ciertas plantas que, como los musgos, carecen de estos órganos, absorbiendo del suelo el agua con las sales minerales que lleva en disolución. Folíolos: cada una de las piezas en las que está dividida una hoja. Manglares: bosques que se desarrollan en lagunas, riberas y costas tropicales protegidas del oleaje en contacto con agua de origen marino. Autor de la foto: Jerry Harpur Actividades Trabajo práctico: Observación de estructuras de las plantas Recolectar material en el barrio o en alguna salida de campo. Observar y dibujar, reconociendo las partes indicadas. a) Planta.: sus partes (raíz, tallo, hojas, flores, frutos). b) Hojas: pecíolo, nervaduras, hojas simples y compuestas. c) Flores: sépalos, pétalos, estambres (anteras y filamentos), estigma, estilo, ovario. d) Frutos y semillas. 138 CAPÍTULO 7 ¿Cómo se reproducen las plantas? Los musgos poseen un pie con una cápsula que cuando se abre, libera esporas y al caer al suelo, germinan y originan una planta. En esta se formarán células masculinas y femeninas (óvulos), que al encontrarse en la fecundación formarán una cigota, que luego se transformará en una estructura llamada esporofito, formadora de esporas, reiniciándose así un nuevo ciclo de vida. Los helechos se reproducen a partir de esporas, que son expulsadas de los soros que se encuentran en el envés de las hojas. Cuando estas germinan en el suelo, originan una pequeña estructura en la que se formarán las células masculinas y femeninas, que al fecundarse, luego de aparecer la cigota, originará una planta de helecho tal como se la conoce, formándose en un momento del año los soros y reiniciándose el ciclo. 7 Helecho con soros Musgo con esporofitos. Autora de la foto: Claudia Delgadillo Salen del soro las esporas esporas Detalle de la hoja con soros germina gametofito crece el esporofito Helecho con soros las células o gametas y se unen (fecundación) Reproducción del helecho 139 7 Las plantas como sistemas autótrofos Las coníferas poseen estructuras bien diferenciadas para la reproducción sexual. Los conos femeninos (piñas) que son grandes y con escamas, donde están los óvulos, y los conos masculinos que son pequeñas estructuras donde se formarán los granos de polen. A través del viento, los granos de polen llegarán al cono femenino, donde fecundarán al óvulo y se formará una cigota, que luego será un embrión. Este se cubrirá de una capa protectora (tegumento) y sustancias nutritivas, formándose así la semilla. Cuando el cono femenino esté maduro, se abrirá y saldrán las semillas que son generalmente aladas y serán dispersadas por el viento, germinarán dando una nueva planta, reiniciándose así un nuevo ciclo de vida. Conos femeninos Conos masculinos Las plantas que poseen flores poseen órganos muy atractivos por sus colores, olores o sabores para poder reproducirse sexualmente. Los granos de polen que están en los estambres, son transportados principalmente por algún animal que llega atraído por las cualidades de la flor –a veces también por el viento o el agua– hasta el estigma, en un proceso llamado polinización. El polen, (que en su interior transporta la célula reproductora masculina, se adhiere al estigma, forma un tubo que atraviesa el estilo y llega hasta el ovario. La célula masculina bajará por este tubo y fecundará al óvulo que está adentro del ovario, formándose la cigota. Luego se desarrollará el embrión que se cubrirá de un tegumento y sustancias nutritivas. Los pétalos, sépalos y demás partes de la flor caen mientras que el ovario se transforma en fruto. El fruto, cuando madura, se abre y salen las semillas que germinan reiniciándose un nuevo ciclo de vida. Los frutos ayudan a la dispersión de las semillas, que se realiza a través del viento, del agua, por animales que los ablandan en su tracto digestivo y liberan con sus heces o por la misma planta que expulsa las semillas al madurar el fruto. 140 CAPÍTULO 3 1 Polinización 4 2 2 Fecundación 3 Se forma el fruto y las semillas 7 1 4 Dispersión 5 Germinación 5 6 7 7 6 Crecimiento y desarrollo 7 Existen casos donde han evolucionado simultáneamente algunas flores y sus polinizadores, adecuándose las estructuras de la flor a las del animal que se alimenta de ella, asegurándole así el transporte del polen y su reproducción. Tal es el ejemplo de un tipo de orquídea cuya flor tiene el olor y apariencia de una hembra de mosca. Esto hace que los machos busquen posarse sobre ellas. Como consecuencia, su cuerpo se llena de polen que luego ellos mismos trasladan hacia otra flor y la polinizan. La reproducción asexual es muy utilizada entre los horticultores, ya que permite una rápida producción de plantas ornamentales y alimenticias que son utilizadas a nivel comercial. Hay plantas que a partir de tallos largos que crecen sobre o por debajo del suelo, producen raíces, tallos verticales con hojas, originando así nuevas plantas idénticas a la progenitora, por ejemplo la frutilla, el césped y la papa. Hay otra orquídea (Phragmipedium sp) que actúa como una trampa para el insecto, ya que este es forzado a pasar por uno de los estambres donde se carga de polen que trasladará a otra flor de la cual saldrá, tocando el estigma, asegurando así la polinización. Autora de la foto: Marcela Sánchez También si se cortan trozos de tallos, por ejemplo de alegría del hogar, malvón, geranio o potus, y se colocan en agua o en un medio con sustancias que permitan generar raíces, al cabo de un tiempo se pueden plantar y se obtendrán así nuevas plantas iguales a la inicial. Esquejes. Autor de la foto: Marcelo Roca 141 7 Las plantas como sistemas autótrofos Actividades Trabajo práctico: Observación de plantas representativas de los principales grupos Recolecten material en el barrio o en alguna salida de campo. Observen y dibujen. a) Musgo: hojuelas, rizoides, esporofito b) Helecho: hojas, soros, tallo c) Pinófitas: hojas, conos femenino y masculino, semillas d) Magnoliófitas: flores ¿Cómo se nutren las Plantas? Como ya lo explicamos, las plantas, al igual que otros seres vivos (algas y algunos unicelulares) autótrofos, pueden producir su propio alimento a través de un complejo proceso llamado fotosíntesis. Podemos comprender desde un principio su significado a través de lo que nos dice la palabra misma: “foto” significa luz y “síntesis” significa fabricación. Así se puede inferir que la fotosíntesis es la fabricación de alimento en presencia de luz. Es un proceso que cambió la historia de la vida en la Tierra, cuando los primeros seres unicelulares comenzaron a realizarlo. A partir de este momento, la atmósfera, que en un principio era muy adversa pues contenía gases tóxicos en los que solo algunas bacterias podían sobrevivir, se cargó de un gas vital: el oxígeno. Fue entonces cuando fueron apareciendo nuevas formas de vida que evolucionaron durante millones de años. De esta manera la vida en la Tierra explotó en todo su esplendor y llegamos así a la gran biodiversidad que existe en la actualidad. Las plantas poseen pigmentos o sustancias que les dan color. El más importante es el de color verde que es la clorofila, sustancia encargada de captar la energía lumínica. El agua que absorben las raíces es transportada a las células del tallo y de las hojas; también entrará el dióxido de carbono de la atmósfera, produciéndose una compleja transformación química, en la que se fabrica la glucosa, un hidrato de carbono simple y el oxígeno, que será liberado al exterior. A partir de la glucosa se formarán otros hidratos de carbono más complejos que la planta necesita para su crecimiento, como por ejemplo el almidón que es una sustancia de reserva. 142 CAPÍTULO 7 Entra Dióxido de Carbono (CO2) Fotosíntesis Energía lumínica Se fabrica glucosa (C6H12O6) Se libera Oxígeno (O2) 7 Entra agua (H2O) Se puede representar: Dióxido de carbono + Agua Energía lumínica Glucosa + Oxígeno Actividades 1) Completen el siguiente cuadro respecto a la fotosíntesis. Seres vivos que la hacen Tipo de energía que se utiliza Oxígeno¿Se usa o se forma? Dióxido de carbono¿Se usa o se forma? Agua ¿Se usa o se forma? Glucosa ¿Se usa o se forma? Pigmento necesario 2) Luego de haber estudiado la fotosíntesis y las plantas, ¿qué importancia biológica les parece que tiene este proceso? 143 7 Las plantas como sistemas autótrofos ¿resPIran las Plantas? Así como nosotros para poder vivir debemos tomar oxígeno del aire y liberar dióxido de carbono a la atmósfera, las plantas, como todos los seres vivos, también necesitan respirar. Por supuesto que lo hacen de una manera diferente, intercambiando los gases (oxígeno, dióxido de carbono y agua) a través de los estomas que hay en las hojas. En resumen, las plantas realizan dos procesos vitales: por un lado la fotosíntesis, principalmente de día, y la respiración durante las 24 hs. del día, ya que ningún ser vivo puede sobrevivir sin hacerla. ¿las Plantas reaCCIonan a los estÍmulos del amBIente? En muchos momentos del año, se observa que algunas plantas florecen, se les caen las hojas, maduran los frutos, brotan y crecen ramas. También sabemos que las hojas y los tallos buscan la luz o las raíces se van hacia abajo. Todo esto está indicando que las plantas, al igual que el resto de los seres vivos, están muy atentas a lo que ocurre en su entorno. Las plantas son capaces no solo de captar los cambios del ambiente sino que pueden anticiparse a ellos y prepararse. Existen diferentes tipos de respuestas en las plantas. Los tropismos son movimientos de alguna parte de la planta a favor (positivo) o en contra (negativo) del estímulo. Existen diferentes tipos de tropismos: Fototropismo: es la orientación respecto a la luz. El tallo y las hojas busca la luz, por lo tanto tendrán fototropismo positivo. Geotropismo: es la respuesta a la gravedad. Las raíces se orientan hacia abajo por la gravedad, por lo tanto tiene geotropismo positivo. Actividades ¿Hacia arriba o hacia abajo? Materiales: vasito agujereado en la base, tierra, semillas de poroto, agua. Procedimiento: 1) Coloquen tierra en el vasito y siembren una semilla (a una profundidad que no supere más de dos veces su tamaño), ubíquenlo cerca de una ventana y regalo. 2) Rieguen cuando vean que la tierra esté seca. 3) Cuando la plantita tenga una altura de 5 cm, giren el vasito 90°, acuéstenlo y dejen crecer la plantita. Hipótesis: Elaboren una anticipación de lo que creen que va a ocurrir. Resultados: Registren lo que fue ocurriendo a lo largo de la experiencia. Conclusión: ¿Fue correcta su hipótesis? ¿Qué tipo de tropismo observaron? 144 CAPÍTULO 7 Hay otros movimientos que son repentinos y no se orientan en función del estímulo, por ejemplo cuando aparece el sol, las flores de planta llamada rayito de sol se abren y cuando desaparece, se cierran. Lo contrario ocurre con la dama de noche, que se abre al oscurecer. Hay plantas que al tocarlas o al posarse un insecto cierran sus hojas, es el caso de la mimosa o de la atrapamoscas. Hay plantas que florecen en el otoño (la frutilla) y otras en la primavera (el tomate), en estos casos las plantas miden la cantidad de horas de oscuridad que tiene el día. 7 Dionaea muscipula o Venus atrapamoscas Muchas de estas respuestas que dan las plantas a los diferentes factores ambientales están reguladas por mecanismos internos llamados relojes biológicos, que están presentes en todos los seres vivos. Actividades finales 1) Lean el siguiente texto y luego respondan a las preguntas: Jardines botánicos, un poco de historia… Autora: Fabiana Siciliani Según el diccionario de la Real Academia Española, jardín botánico es “un terreno destinado a cultivar las plantas para el estudio de la botánica”. Proviene del latín hortus botanicus, son instituciones creadas por organismos públicos, privados o ambos, cuyos objetivos son el estudio, la conservación y la divulgación de la diversidad vegetal. Actualmente son centros de investigación y de conservación de especies vegetales. Los jardines botánicos también son lugares dedicados a la cultura, además de dedicarse al estudio y a la exhibición de colecciones documentadas de plantas vivas. El origen de los jardines botánicos se remonta a la antigüedad, hace 3.000 años, donde se destacaron entre las civilizaciones egipcia y mesopotámica, contando esta última con los jardines colgantes de Semíramis (Babilonia), considerados una de las siete maravillas del mundo (antiguo). Roma impulsó esta actividad alrededor de los palacios y grandes villas, donde se extendían grandes jardines rodeados de estanques, esculturas y fuentes. Durante el medioevo, el arte de la jardinería se redujo a los alrededores de los monasterios, donde los monjes, además de estudiar las propiedades medicinales de las plantas encontraban en su belleza, una celebración de Dios. 145 7 Las plantas como sistemas autótrofos Actividades A partir del siglo XIV surgen los jardines renacentistas, volviendo de esta manera al modelo de la antigüedad, en el que se combinaban jardines con edificaciones. El primer jardín botánico fue medicinal, creado en 1543 en la Universidad de la ciudad de Pisa, Italia, y cuyo papel principal era el estudio de plantas medicinales. En el siglo XVI, XVII y XVIII, con la expansión colonial y el desarrollo del comercio exterior, surgieron los jardines botánicos tropicales. En ellos se promovía la exploración botánica en los trópicos para obtener especies nativas y poder cultivarlas, como el clavo de olor, té, café, quina, cacao, pimienta, entre otros. Fue Carlos Linneo (1707-1778) quien inspiró la idea de jardines para realizar el estudio científico de las plantas. Los jardines botánicos de Europa recibieron en esta época, grandes cantidades de especímenes vivos y preservados, provenientes principalmente del Nuevo Mundo, para su estudio, identificación y exhibición. Los jardines irán entonces, incluyendo progresivamente herbarios, bibliotecas y laboratorios. A partir del siglo XX los jardines botánicos se transforman en verdaderos centros de investigación y de conservación del patrimonio vegetal. En los últimos 30 años, con la toma de conciencia de la importancia de conservar la biodiversidad, promovidos en la década de 1970, cuando comenzó a alentar la UICN (Unión Internacional para la conservación de la Naturaleza) la conservación ex situ de plantas amenazadas, los jardines botánicos emergen como centros de investigación en grupos particulares de plantas. En la actualidad en nuestro país existen 41 jardines botánicos distribuidos en todo el territorio nacional, la mayoría de ellos están nucleados en la RAJB (Red Argentina de Jardines Botánicos). a) ¿Cómo fueron cambiando los jardines botánicos desde sus inicios hasta la actualidad? b) Averigüen, en la zona donde viven, si existe algún jardín botánico, hagan una visita para recorrerlo y averigüen qué actividades se realizan en él. c) Cuando comenzamos a hablar sobre biología, introdujimos el concepto de biodiversidad, ¿cómo se relacionan los jardines botánicos con ella? 2) Censo de árboles de su barrio a) Cuenten uno por uno los árboles que hay sobre la vereda en la manzana donde está ubicada su casa. El dato obtenido será la densidad de árboles que hay en las veredas de una manzana. Realicen una tabla seleccionando solo las manzanas que no se repiten (es decir, estén atentos a no repetir manzanas si algunos integrantes del equipo viven en la misma), sumar todo y dividir para sacar el promedio de árboles que hay en las veredas del barrio por manzana. 146 CAPÍTULO Actividades N° de MANZANA N° de árboles 7 7 N° promedio de árboles en las veredas por manzana: …………… b) Busquen información acerca de la importancia de los árboles en las ciudades. c) Averigüen en el municipio donde viven si hay algún plan de protección de árboles o de forestación. d) Investiguen acerca de los problemas que trae la deforestación. 3) Proyecto: armado de un herbario Un herbario es una colección de especies de plantas disecadas, para su identificación y estudio. Realicen una recorrida por el barrio y recolecten ramitas de árboles. Anoten el nombre del árbol y el lugar de recolección. Se sugiere guardar tres a cuatro ramas por árbol para cubrir eventuales problemas. Los pasos a seguir son los siguientes: a) Coloquen las ramitas entre hojas de papel de diario y controlen periódicamente si hay mucha humedad. En tal caso habrá que remover los papeles. Esto se hace para evitar la formación de hongos que pueden arruinar el material. b) Coloquen algo pesado sobre las hojas. El proceso de secado de las ramas lleva mínimo dos meses. c) El herbario se armará cuando estén bien herborizas las ramas y hojas. Cada rama se colocará con mucho cuidado con un pedacito de cinta sobre una hoja N° 5; se le puede pegar encima (solo en el borde superior) una hoja de calcar para proteger el material. 147 7 Las plantas como sistemas autótrofos Actividades d) En el borde inferior derecho se pegará una etiqueta que contenga la siguiente información: • Nombre común del árbol • Nombre de la especie • Lugar y fecha de recolección • Especie nativa o exótica • Datos extras (corteza, hojas, flores, frutos, semillas) e) Se puede también agregar a la colección, frutos y semillas, que se presentarán en pequeñas cajitas individuales perfectamente identificadas por árbol. 4) Proyecto: la huerta Materiales: tierra negra, semillas, macetas, tubo de cartón o caño de agua de 2 pulgadas, papel de diario, cajón de verdulería, regadera o botella descartable, libreta de notas, cartelitos. Pasos a seguir: a) Consigan las semillas que varían según sea la época: fría (otoño-invierno) o cálida (primavera-verano). b) Armen un regador: tomen una botella plástica descartable y realicen círculos concéntricos de agujeritos en la base; cierren la botella con la tapita. c) Tomen el caño o tubo, córtenlo de 20 cm de altura y realicen un corte en diagonal en uno de sus extremos. d) Recorten cuadrados de papel de diario de 20 cm X 20 cm. e) Envuelvan el caño con el papel, cierren la base e introdúzcanlo en la tierra como si fuera una palita utilizando el extremo cortado a bisel: asienten la tierra y retiren la macetita recién armada. f) Introduzcan una semilla en cada macetita a una profundidad que no supere dos o tres veces su tamaño. g) Coloquen las macetitas dentro del cajón, señalizando cada variedad sembrada. h) Rieguen y dejen en un lugar soleado. i) Registren en una libreta la fecha de siembra y de germinación. Se pueden dibujar las diferentes etapas que se van observando, hasta el momento de llevar a la huerta para que crezcan con todo lo necesario y se hagan plantas adultas. 148 CAPÍTULO 8 Bacterias, hongos y protistas Las bacterias Pertenecen al Reino Monera y Archaebacteria (Dominio procariota). La microbiología se ocupa de su estudio. Son organismos unicelulares. Poseen células procariotas. Pueden ser organismos autótrofos o heterótrofos. Que son buenas, que son malas, que sirven o que no sirven… Las bacterias son todo eso y mucho más. Debemos empezar diciendo que fueron los primeros seres vivos que aparecieron en la Tierra, cuando hace 3500 millones de años se formó el primer organismo unicelular. En ese momento el ambiente no era el mejor para la vida, sino todo lo contrario, había gases muy tóxicos, nada de oxígeno, altísimas temperaturas y aún así, ¡ellas podían vivir! También fueron los primeros seres vivos que lograron transformar la atmósfera cargándola con oxígeno. ¡Sí! Comenzaron la fotosíntesis, es decir que gracias a ellas, la evolución se abrió camino y explotó la vida en todas sus formas. Están adaptadas a diferentes ambientes, aun los más extremos; habitan tanto en los polos como también en las aguas termales. Son muy pequeñas y tan necesarias que contribuyen a descomponer la materia orgánica del suelo, a tomar Vocabulario el nitrógeno del aire para que las plantas puedan utilizarlo y además, son herramientas para la producción Patógenas: en griego pathos signide muchos alimentos y medicinas. En nuestro cuerpo fica “padecimiento” y geno signifitambién están presentes, por ejemplo, en el intestino, ca “que genera”. conformando la llamada flora intestinal. Allí cumplen un papel muy importante en el proceso digestivo. Tampoco hay que olvidar que producen bastantes problemas, pues son responsables de innumerables enfermedades, por eso se las llama patógenas y hasta se pensó que podían servir como armas de guerra... 8 Bacterias, hongos y protistas cLasiFicación de Las bacterias BACTERIAS Archaebacterias Eubacterias Las Archaebacterias incluyen a las más antiguas, las que generan gas metano, las que pueden vivir en suelos salinos, soportar temperaturas muy altas y también a aquellas que pueden vivir en ambientes muy ácidos. Las Eubacterias incluyen al resto de las bacterias. Existen diversas formas de bacterias: las esféricas o cocos, las que parecen un bastón alargado o bacilos, en forma de hélice o espirilos y los bastones cortos encorvados o vibriones. Se pueden agrupar en cadenas, racimos, filamentos o colonias. Bacterias esféricas o cocos Bacterias bastón o bacilos Bacterias hélice o espirilos Bacterias vibriones Son sumamente pequeñas, microscópicas, su tamaño oscila alrededor de un micrón, que equivale a la milésima parte del milímetro. La presencia de una pared externa que rodea a la membrana celular, evita que la bacteria se destruya y pueda sobrevivir a ambientes adversos. 150 CAPÍTULO 8 Algunas poseen colitas o flagelos que facilitan su desplazamiento y otras tienen unas estructuras similares a pelos, que les permiten adherirse a diferentes superficies, lo cual las hace aún más patógenas porque se hace más difícil eliminarlas de las zonas del cuerpo infectadas por ellas. ¿Cómo se reproducen las bacterias? La forma de reproducción más común es la asexual. Dentro de este tipo la más frecuente es la fisión binaria, proceso por el cual la célula bacteriana se divide en dos partes iguales. En algunos casos esto ocurre muy rápido ¡en tan solo 20 minutos! lo cual les permite conquistar el lugar donde están instaladas a una increíble velocidad. 8 En ciertas ocasiones, cuando las condiciones del ambiente no son las óptimas y pondrían en riesgo la supervivencia de la bacteria (por ejemplo al escasear el alimento, el agua, la presencia de sustancias químicas o cuando una temperatura es muy extrema) se forma una estructura en su interior llamada espora. Esta, al salir del interior de la célula bacteriana, permanecerá en estado latente durante largo tiempo, hasta que las condiciones ambientales estén restablecidas y se asegure la supervivencia del organismo; entonces madurará y se formará una bacteria capaz de vivir normalmente. La formación de esporas es un problema a la hora de tratar de eliminar las bacterias patógenas por medio de la esterilización, pues al resistir los procesos con calor, es difícil en muchos casos eliminarlas. También existe la reproducción sexual, llamada conjugación, donde entre dos bacterias se intercambian material genético, obteniéndose así dos bacterias diferentes. Vocabulario Esterilización: es la utilización de agentes físicos o químicos para eliminar todos los microbios viables. Fisión binaria Espora Formación de esporas 151 8 Bacterias, hongos y protistas ¿cómo se nutren Las bacterias? La mayoría de las bacterias son heterótrofas saprobias (proviene del griego sapros que significa “podrido”) pues se alimentan de los nutrientes que obtienen de la materia orgánica, proveniente de organismos muertos. Ellas son unos de los seres vivos que permiten que las plantas puedan tomar del suelo sustancias simples, que de otra forma no podrían incorporar. De esta manera las plantas, al ser comidas por otro ser vivo, harán circular la materia de un organismo a otro en la trama de la vida. También las bacterias compiten con otras por sus recursos, por ejemplo, cuando algunas bacterias patógenas nos infectan, se deben enfrentar a las que habitualmente viven en el intestino grueso, en una feroz pelea por la comida y el lugar. Es habitual tomar antibióticos cuando tenemos alguna enfermedad originada por bacterias. Cuando el tratamiento es prolongado, no sólo se mata a las patógenas, sino también a muchas que forman la flora bacteriana de nuestro intestino. En estas circunstancias, podrían ingresar nuevas bacterias patógenas que tendrían el camino libre sin la competencia de las que habitan normalmente el intestino, pudiéndose instalar y colonizar nuevamente el lugar. Por esto es tan importante no abusar de los antibióticos, que deberán estar siempre recetados por un médico. Es conveniente tratar de reponer la flora intestinal consumiendo yogurt o productos prebióticos que tienen alto contenido de microorganismos. También hay bacterias autótrofas que poseen pigmentos verdes, azulados, amarillos y rojos con los que pueden realizar la fotosíntesis, obteniendo su propio alimento para la supervivencia. Estos pigmentos son los responsables de colorear de verde, por ejemplo, lugares de agua estancada o de rojo al famoso Mar Rojo. Actividades El yogurt, un alimento muy antiguo a) Busquen la historia del yogurt. b) ¿Cómo se elabora? c) Observen diferentes envases de yogurt y anoten los nombres de las bacterias que poseen. d) Les proponemos que elaboren yogurt. Para hacerlo sigan los siguientes pasos: Calienten 1 litro de leche azucarada a gusto y mezclen un potecito de yogurt natural. Envuelvan el recipiente con trapos y lo dejan en un lugar calentito de la casa o cerca de una estufa, hasta el día siguiente. Cuando ya esté hecho, pueden saborizarlo con esencia de vainilla y colocarlo en potecitos en la heladera. Mientras lo saborean, piensen: ¿qué fue lo que ocurrió? ¿Por qué hubo que mantenerlo calentito en forma constante? 152 CAPÍTULO 8 La capacidad que poseen algunas bacterias de respirar en ambientes con oxígeno o sin él, les ha permitido colonizar los más variados lugares y sobrevivir aun en los más hostiles. Hay algunas bacterias que si hay oxígeno, lo incorporan, pero que en ausencia de este gas son capaces de respirar otras sustancias y lograr sobrevivir. A estas bacterias las llamamos quimiotrofas. ¿Las bacterias reaccionan a Los estÍmuLos deL ambiente? Como ya señalamos al principio del capítulo, todo ser vivo se vincula con el entorno y reacciona a sus estímulos. Las bacterias no son la excepción a esta característica de la vida. 8 Así como mencionamos que cuando las bacterias se encuentran en condiciones desfavorables, que ponen en riesgo su supervivencia, se lanzan a formar estructuras de resistencia o esporas, también existen otros ejemplos de respuestas al ambiente. Ante la presencia de nutrientes en un determinado lugar, se observó que las bacterias se movilizan hacia ellos y las que realizan fotosíntesis, responden positivamente a la luz. Actividades 1) Lean y elaboren un mapa conceptual a partir del siguiente texto: El mundo microscópico de la leche Entre las principales fuentes de nutrientes que las bacterias utilizan para su crecimiento y desarrollo se encuentran los hidratos de carbono, las proteínas y los lípidos, y es la razón por la cual una alta cantidad de bacterias en la leche cruda termina deteriorando sus componentes más importantes. En la leche, existen tres grandes grupos de microorganismos clasificados: a) Flora banal: presente en el todo alimento natural (no procesado) y que no presenta ningún riesgo para la salud humana. En la leche se la llama “flora láctica” y es la carga bacteriana normal presente en la leche cruda una vez ordeñada y puede causar su deterioro. Se evita su propagación con higiene y conservación en frío. b) Flora patógena: en la leche cruda pueden aparecer, por distintas causas y orígenes, algunas bacterias patógenas que sí pueden implicar un riesgo para la salud humana. Se las debe evitar en la leche cruda. c) Flora útil: ciertas especies de bacterias son seleccionadas por el hombre para la elaboración de muchos productos alimenticios. Estos microorganismos, utilizados en la elaboración de productos lácteos (yogurt, queso), son denominados “cultivos iniciadores” y son provistos por compañías que se especializan en su selección, desarrollo y propagación, bajo condiciones de estricto control y seguridad Fuente: El mundo de la leche, Pascual Mastellone, La Serenísima 153 8 Bacterias, hongos y protistas Actividades 2) Lean el texto y elaboren un cuadro comparativo: Las leches y la pasteurización Existen diferentes tipos de leches según los procesos térmicos usados en la industria láctea: • Leche pasteurizada: es la leche a la que, por medio de procesos de calentamiento a 72° C/78° C por 15 segundos, se le han eliminado totalmente los gérmenes patógenos y prácticamente la totalidad de la flora banal. Este proceso se realiza sin modificar, prácticamente, la naturaleza físico-química y nutritiva de la leche, que permanecerá intacta. Esta leche tiene una duración de aproximadamente cinco días. • Leche ultrapasterurizada: se somete a la leche a un tratamiento térmico de por lo menos dos segundos a una temperatura mínima de 138° C e inmediatamente después, se la enfría a menos de 5° C, para colocarla luego en envases estériles y herméticamente cerrados. Se logra de esta manera reducir las causas de reinfección del producto durante el procesamiento y el envasado, obteniéndose así un producto más duradero. Este procedimiento permite conservar la leche en su envase cerrado y refrigerado por aproximadamente 25 días. • Leche esterilizada: es la leche llamada comúnmente “larga vida” que es sometida a procesos de Ultra Alta Temperatura (UAT), siendo calentada a 146° C durante tres o cuatro segundos y luego es envasada bajo condiciones asépticas en envases esterilizados y herméticamente cerrados. La duración de esta leche es de seis meses, manteniendo el envase cerrado sin necesidad de refrigeración. Fuente: El mundo de la leche, Pascual Mastellone, La Serenísima PROCESO TEMPERATURA TIEMPO (en segundos) CONSERVACIÓN (en frío) TIEMPO DE DURACIÓN 3) Las bacterias y la industria Busquen los usos que tienen las bacterias en la obtención de diferentes productos en la industria. 4) Las bacterias nos causan problemas… a) Completen el siguiente cuadro: ENFERMEDAD MICROBIO CONTAGIO SÍNTOMAS PREVENCIÓN TRATAMIENTO Tuberculosis Tétanos Botulismo Síndrome urémico hemolítico b) Realicen una historieta cuyo tema sea una de las enfermedades analizadas. 154 CAPÍTULO 8 Los hongos Pertenecen al Reino Hongos o Fungi (Dominio Eukarya). La micología es la ciencia que los estudia pero además la microbiología también se ocupa de los hongos microscópicos. Son organismos unicelulares y pluricelulares. Poseen células eucariotas. 8 Son organismos heterótrofos. Cuando nos internamos en una selva, nos encontramos con infinidad de árboles, un suelo cubierto de mucha hojarasca, enredaderas y lianas por todas partes y sonidos de animales. También nos llama la atención la corteza de árboles caídos cubierta de hongos que exhiben sus sombreros de vistosos colores, o los hongos que se disponen como escaleritas adosados a los troncos. Todos ellos son capaces de descomponer grandes cantidades de materia orgánica y son responsables del reciclado de sustancias que vuelven a la tierra para ser nuevamente incorporadas por las plantas y seguir así en la trama de la vida. A veces nos juegan malas pasadas cuando vemos que aparecen en los alimentos y los arruinan, o cuando las paredes de nuestras casas se pueblan de la famosa humedad. Gracias a ellos también disfrutamos de exquisitos panes, facturas, pizza, vinos y quesos. Algunos son responsables de curar ciertas infecciones bacterianas, otros de provocar alucinaciones cuando se los consume como drogas o de generar odiosas enfermedades a plantas y a los animales y que son muy difíciles de eliminar… Clasificación de los hongos Existen grupos bien diferenciados entre los hongos, algunos tienen aspecto algodonoso o de polvo, como los mohos que aparecen en los alimentos; otros son microscópicos y unicelulares como las levaduras, que sirven para fabricar panificados y vinos; otros tienen pie y sombrero como las setas (de las que un ejemplo son los riquísimos champiñones). Los hongos pluricelulares están formados por un micelio, que es un conjunto de filamentos entrecruzados llamados hifas. Cada una de ellas está constituida por varias células. Seta. Autor de la foto: Pedro Souza Hongo en escalera. Autor de la foto: Marcelo Roca 155 8 Bacterias, hongos y protistas ¿cómo se reproducen los hongos? Actividades Trabajo práctico: Observación de hongos Recolecten material, dibujen diferentes ejemplares de hongos en estantería y de sombrero, y señalan en las setas el pie y el sombrero. Los hongos poseen ambos tipos de reproducción. La asexual se produce por la fragmentación de las hifas, por formación de un brote (gema), o por esporas que dan origen a un nuevo individuo. Estas últimas resisten a períodos de sequía o de temperaturas extremas y pueden ser transportadas por el aire fácilmente, germinando en algún lugar con mejores condiciones ambientales. La reproducción sexual implica complejos procesos de intercambio de material genético entre las hifas, originando individuos diferentes. Gemación en levaduras Vocabulario gema Hospedador: organismo en el que vive un parásito. Parásito: organismo que vive a expensas de otro o en otro organismo de una especie distinta y obtiene de éste los nutrientes. ¿cómo se nutren los hongos? Los hongos son de dos clases: heterótrofos saprobios o parásitos. Los primeros, absorben directamente los nutrientes del medio sobre el que están, el micelio se expandirá sobre el alimento o bien estará oculto por debajo de la superficie. Los segundos, poseen hifas que sacan los nutrientes del hospedador. Actividades Busquen otros ejemplos de bebidas que se obtengan por fermentación de levaduras. 156 Los hongos junto con las bacterias constituyen los grandes descomponedores de la materia orgánica, son los que hacen posible que nada se desperdicie en el ciclo de la vida y que la materia pueda volver a ser utilizada por los vegetales. La mayoría de los hongos respiran tomando el oxígeno de la atmósfera, pero las levaduras también pueden hacerlo en ausencia de él. Esto se llama fermentación y es la base de la elaboración del vino. Las levaduras que están en el hollejo de las uvas al consumir el azúcar de la fruta la transforman en alcohol, convirtiendo el jugo de frutas en vino. CAPÍTULO 8 Trabajo de laboratorio Trabajo práctico: La descomposición y los hongos Materiales: tres frascos, fruta, pan y queso, lupa. 8 Procedimiento 1) Humedezcan cada trozo de alimento e introdúzcanlos en sendos frascos. 2) Ubíquenlos en un lugar oscuro durante un mes. Hipótesis Planteen una posible anticipación de lo que podrá ocurrir. Resultados Dibujen y describan lo observado. Conclusión: 1) ¿Fue correcta o no su hipótesis? 2) Expliquen lo que ocurrió en la experiencia. 3) ¿Podrían relacionar lo que comprobaron con la importancia que tienen los hongos en la naturaleza? ¿Los hongos reaccionan a los estímulos del ambiente? Los hongos responden al estímulo de la luz. La mayoría de las respuestas a la luz en los hongos se debe a la luz azul, aunque también se conocen respuestas a otras longitudes de onda como la luz roja o la luz del ultravioleta. Además de intervenir en el desarrollo de los hongos, la luz azul estimula la fabricación de pigmentos anaranjados o carotenos haciendo que algunas especies de hongos obtengan esa coloración naranja típica, también presente, por ejemplo, en las zanahorias. Los hongos se asocian a otros seres vivos Cuando existe una relación muy cercana entre un hongo y un alga verde o cianobacteria, se forma una nuevo ser vivo, que se denomina líquen. En esta asociación las algas que lo constituyen aportan alimento por la fotosíntesis y los hongos obtienen minerales y colaboran en la fijación al sustrato. Los líquenes suelen encontrarse sobre troncos de árboles, piedras o suelos. Son los primeros en 157 8 Bacterias, hongos y protistas Vocabulario Simbiosis: asociación íntima y prolongada entre dos o más organismos de diferentes especies. Mutualismo: tipo de simbiosis en la que se benefician ambos organismos de cada especie. colonizar un lugar desprovisto de otras especies y son ellos los que abren el camino para que nuevas especies vegetales se vayan instalando en el terreno. Los líquenes pueden habitar lugares secos sobre rocas desnudas, en los que ni los hongos ni las algas por separado podrían sobrevivir. Son muy sensibles a las sustancias tóxicas del aire, por esto son buenos indicadores de un ambiente sin contaminación. Existe gran variedad de formas y tamaño entre los líquenes, hay algunos pequeños adheridos al sustrato y otros muy largos como las “barbas de viejo” que cuelgan de los árboles. Este tipo de relación íntima entre dos seres vivos en la que ambos se benefician, se denomina mutualismo. Actividades Trabajo práctico: Observación de líquenes Recolecten material vivo y dibujen diferentes ejemplares Líquenes. Autor de la foto: Marcelo Roca 158 CAPÍTULO 8 Actividades 1) Elaboración del pan Las levaduras Saccharomycetes cerevisiae que se utilizan en la panificación, fermentan transformando la glucosa en alcohol y dióxido de carbono. Este último gas forma pequeñísimas burbujas que hacen que la masa sea esponjosa y es el responsable del aumento del volumen, de lo que comúnmente llamamos leudado o levado de la masa. Les proponemos una sencilla experiencia: 8 Materiales: un paquete de levadura fresca, harina común, azúcar, agua tibia, bolsita de nylon y un recipiente. Procedimiento: Mezclen en un recipiente la levadura con una cucharada de azúcar, cuatro cucharadas de harina y un poquito de agua tibia. Cubran con la bolsa y dejen descansar una hora. Resultados: Dibujen y anoten lo que observan. Conclusión: a) ¿A qué se deben las burbujas que aparecieron en la masa? b) ¿Qué ocurriría con las levaduras si colocáramos la masa en el horno? c) ¿Qué son los agujeritos de la miga del pan? d) ¿Se animan a preparar pan? Busquen una receta y verán que antes de amasar la preparación, tendrán que hacer el procedimiento que acaban de experimentar en clase. 2) Para investigar: hongos y salud a) Investiguen qué es y cómo fue descubierta la penicilina. b) Busquen dos enfermedades de la piel producidas por hongos, expliquen los síntomas, la prevención y el tratamiento. 3) Para leer y analizar El cuidado de las pinturas acrílicas Hoy en día, las pinturas acrílicas forman una parte importante de las colecciones permanentes de museos y galerías. Las pinturas acrílicas para artistas fueron introducidas en los años 50 y desde entonces han dominado el mercado de las artes y manualidades. Además, la pintura acrílica ha sido aceptada por los artistas como una alternativa viable a la pintura al óleo. El comportamiento de los acrílicos como medio de pintura y sus propiedades físicas y químicas son diferentes a las de los óleos, lo cual exige directrices diferentes para el cuidado de las pinturas acrílicas. Algunos métodos tradicionales de conservación pueden ser dañinos para las pinturas acrílicas. Las características de envejecimiento de las pinturas acrílicas apenas están comenzando a ser entendidas. Actualmente, el cuidado preventivo parece ser lo mejor para las pinturas acrílicas…Se ha notado que la pintura acrílica es propicia para el crecimiento de hongos, lo cual se ha convertido en una preocupación creciente entre artistas y coleccionistas. Desafortunadamente, no existe un tratamiento ideal que no cause algún grado de daño a la pintura original. Los hongos tienden a aparecer cuando el nivel de humedad y temperatura aumentan. El mejor cuidado es la prevención. Fuente: Museum Conservation Institute 159 8 Bacterias, hongos y protistas Los protistas Pertenecen al Reino Protista (Dominio Eukarya). Varias ciencias se ocupan de ellos: la ficología estudia a las algas, la microbiología a los microbios. Son organismos unicelulares y pluricelulares. Poseen células eucariotas. Son organismos autótrofos y heterótrofos. Durante mucho tiempo se consideró a los protistas fotosintéticos (algas) como plantas y a los protistas heterótrofos (protozoos) como animales. En la actualidad se los incluye en un grupo aparte. PROTISTAS Autótrofos Unicelulares (algas, diatomeas) Heterótrofos Pluricelulares (algas) Unicelulares (flagelados, ciliados, con pseudópodos, sin estructuras locomotoras) Pluricelulares (hongo mucilaginoso) protistas fotosintéticos Entre los autótrofos, hay organismos unicelulares, que están en suspensión cerca de la superficie de los océanos, constituyendo el fitoplancton, responsable de la mayor parte de la fotosíntesis en los mares y de grandes cantidades de oxígeno que van a la atmósfera. También se los puede encontrar en el agua dulce. Dentro de los unicelulares están las diatomeas, que poseen conchillas dobles, que a lo largo de millones de años, se fueron acumulando y depositando, formando lo que hoy se llama y comercializa como “tierra de diatomeas”, muy utilizada en los filtros de las piletas de natación, en dentífricos, para combatir insectos o para pulir superficies. También hay unos pequeños organismos llamados dinoflagelados, que son de color rojo, responsables de la tan temida “marea roja”. El mar se tiñe de colorado debido a la presencia de estos protistas, que generan una toxina en su interior y que se acumula al ser comidos por moluscos filtradores como las almejas y mejillones, pudiendo causar la muerte de peces y personas que se alimenten de estos últimos. Entre los unicelulares hay pequeñas algas con diferentes pigmentos en su interior. Existen en las algas formas intermedias entre los unicelulares y pluricelulares, que se organizan en grupos de células individuales llamados colonias. Entre los pluricelulares están las algas que habitan aguas poco profundas y en las costas. Estas algas poseen además de la clorofila, otros pigmentos, de color rojo, amarillento y pardo, que permiten clasificarlas. Las algas pluricelulares son de gran utilidad, ya que tiene numerosas aplicaciones en la industria, medicina, agricultura y alimentación. 160 CAPÍTULO En agricultura se las utiliza como abonos, ricos en potasio; se las recogen de las playas o mediante barcos en alta mar y se las emplean luego de fermentarlas bajo tierra. De las algas rojas se obtiene el “agar”, usado en la preparación de gelatinas y en microbiología para los medios de cultivo. También algunas se las usa en cosmetología y en medicina, para combatir problemas pulmonares y tiroideos. En Oriente el consumo de algas para la alimentación tiene una importancia considerable, son ricas en proteínas, azúcares, numerosas vitaminas y minerales. Son muy usadas para la preparación de sushi. 8 8 Algas unicelulares Protistas heterótrofos Entre los protistas heterótrofos, hay muchos que son unicelulares y pueden ser de vida libre o parásitos. Se pueden diferenciar varios grupos según el tipo de locomoción y estructuras especializadas que poseen. Entre los que poseen flagelos, la mayoría son parásitos, se mueven gracias al movimiento helicoidal que ejerce una estructura, semejante a una colita, que realiza movimientos de rotación. Un ejemplo es el Trypanosoma cruzi, responsable de la enfermedad Mal de ChagasMazza. Otros viven en el intestino de las termitas y se alimentan de la celulosa de la madera que las hormigas ingieren. Los que se desplazan por seudópodos, como la ameba, extienden su cuerpo de una sola célula, formando prolongaciones del citoplasma. Los seudópodos engloban el alimento y lo incorporan en una vacuola para realizar la digestión intracelular. Algunos organismos de este grupo, poseen conchillas externas que sorprenden por sus formas y colores. Ameba Diatomea Algas verdes Tripanosoma 161 8 Bacterias, hongos y protistas Foraminífero Actissa princeps Vocabulario Cilio: estructura corta y delgada, generalmente se disponen en hileras e intervienen en la locomoción. Paramecium Coccidio 162 Entre los que usan cilios, está el paramecio, que posee su cuerpo totalmente cubierto por pequeños pelos uno al lado del otro que se baten en forma coordinada. El movimiento sincronizado de los cilios permite que las partículas alimenticias se dirijan a la cavidad oral, donde el alimento es englobado en una vacuola para la digestión intracelular y lo no digerido se expulsa a través de un poro anal. Hay protistas que carecen de estructuras locomotoras, como el plasmodio, que produce una enfermedad llamada Malaria, característica de zonas tropicales y que se transmite a través de un mosquito. Otro ejemplo son los que parasitan a los perros y conejos produciéndoles Coccidiosis, o los que parasitan a los gatos y que al tomar contacto con el hombre, pueden provocar la enfermedad llamada Toxoplasmosis. También entre los protistas heterótrofos hay pluricelulares. Es el caso de los mohos mucilaginosos, que viven en zonas húmedas, frías y sombreadas de bosques, y son masas delgadas de vistosos colores que se mueven lentamente como las amebas. A medida que se desplazan, van comiendo partículas de materia animal y vegetal en descomposición, bacterias y levaduras. Los protistas poseen ambos tipos de reproducción. La asexual se produce por fisión binaria o por esporas que forman individuos iguales al que les dio origen. La reproducción sexual implica complejos procesos de intercambio de material genético originando individuos diferentes. Como vimos en otros seres vivos, los protistas también responden a los estímulos ambientales. La Euglena, un unicelular autótrofo, se orienta hacia la luz; sin embargo, si la intensidad es muy fuerte, se aleja. El Paramecium tiene un comportamiento de huída ante la presencia de una sustancia venenosa, se dirige hacia ella, invierte el batir de los cilios, retrocede y cambia de dirección y avanza para escapar. CAPÍTULO Actividades 1) Les proponemos mirar la película Casas de fuego y responder: 8 8 a) ¿Cuál es su opinión respecto a la lucha que llevó a cabo el doctor Mazza? b) Analicen cómo el aporte científico del doctor Chagas (investigador brasileño) y el posterior descubrimiento del doctor Mazza (argentino) se complementaron y ampliaron el conocimiento sobre la enfermedad. 2) Elaboren una pequeña biografía sobre el doctor Salvador Mazza. 3) Esquematicen el ciclo de la enfermedad Mal de Chagas-Mazza. 4) Completen la información a partir de la enfermedad: a) Vector (ser vivo que aloja al microorganismo y lo traslada hacia otros seres): b) Microorganismo: c) Tipo de transmisión: d) Síntomas: e) Formas de prevención: f) Formas de tratamiento: 5) Esta enfermedad se dice que es endémica, ¿por qué? 6) En un mapa de nuestro país ubicar las zonas más afectadas por esta enfermedad. 163 CAPÍTULO 9 Los animales como sistemas heterótrofos por ingestión Los anIMaLes • Pertenecen al reino animal (Dominio Eukarya). • La ciencia que se ocupa de su estudio es la zoología. • Son organismos pluricelulares. • Poseen células eucariotas animales. • Son organismos heterótrofos que deben incorporar alimento por ingestión. Este reino abarca una gran cantidad de especies (más de un millón identificadas), con grandes variaciones en cuanto a sus aspectos y formas. Han desarrollado adaptaciones a todo tipo de hábitats: terrestre, acuático y aeroterrestre. Algunos son sumamente simples, formados únicamente por tejidos, y otros tienen un nivel de organización que incluye aparatos y sistemas de órganos. Solo el reino animal llega a tener este grado de complejidad, que hace posible entre otras cosas, que los animales se relacionen con el medio a través de comportamientos muy elaborados. Otra característica distintiva con respecto a las plantas es que la mayoría de los animales tienen la posibilidad de desplazarse y solo algunos desarrollan su vida adheridos a un sustrato de apoyo (se los conoce como animales de vida fija). El desplazamiento les facilita la búsqueda de alimento, ya que al ser heterótrofos deben incorporarlo a través de la ingestión de materia proveniente de otros organismos. La mayoría se reproducen sexualmente. CLasIFICaCIÓn: GrUPos MÁs IMPortantes ANIMALES INVERTEBRADOS (sin columna vertebral) PORÍFEROS (poseen poros) PLATELMINTOS (gusanos planos) NEMATODES (gusanos cilíndricos) ANÉLIDOS (gusanos anillados) ARTRÓPODOS (patas articuladas) EQUINODERMOS (piel con espinas) CNIDARIOS MOLUSCOS VERTEBRADOS (Con columna vertebral) (La columna vertebral forma parte de su esqueleto interno) PECES ANFIBIOS REPTILES AVES MAMÍFEROS 9 Los animales como sistemas heterótrofos por ingestión Invertebrados Poríferos. Ejemplo: la esponja de mar. No se los considera verdaderos animales ya que tienen varios tipos de células pero no forman tejidos. Tienen vida fija y son marinos, se los encuentra en los arrecifes de coral. Su aspecto es similar a un tubo hueco cuyas paredes poseen poros por los que circula el agua (como si fuera un colador tubular), que sale por la cavidad superior. Las partículas de alimento quedan retenidas en las células interiores y se digieren dentro de ellas. El oxígeno le llega en forma directa a cada célula ya que también está presente en el agua que circula en su interior. Cnidarios. Ejemplos: el coral, la anémona de mar y la medusa como el aguaviva. Las esponjas son semejantes a chimeneas tubulares con el centro hueco Tienen forma de bolsa hueca con una abertura con tentáculos que suelen despedir sustancias irritantes, con las cuales atacan a sus presas, ya que son carnívoras. Los corales tienen vida fija y son marinos, forman colonias de pequeños animales que se fijan uno sobre otro y secretan por fuera un esqueleto que tiene atractivos colores y formas. Así se originan los arrecifes de coral, verdaderos monumentos naturales que sirven de refugio y alimento a gran diversidad de especies. Las medusas son de vida libre, se desplazan por propulsión a chorro (como los cohetes). Para alimentarse, los tentáculos atraen a las presas hacia la cavidad central, donde comienza la digestión. Luego las partículas pequeñas penetran en las células que revisten esa cavidad y así se completa el proceso. Los restos de la digestión son expulsados por la misma abertura. Para respirar, el oxígeno que está disuelto en el agua penetra directamente a cada una de sus células. Una particularidad de este grupo es que además de la reproducción sexual pueden también reproducirse asexualmente a través de brotes que se originan en el cuerpo de un individuo y se desprenden pasando a generar un nuevo ser. La medusa infla su cuerpo y llena de agua la cavidad central. Con un rápido movimiento se contrae y libera toda el agua en forma de chorro hacia atrás. La fuerza de ese chorro impulsa a la medusa hacia adelante 166 CAPÍTULO 9 9 Los corales son esqueletos secretados por pequeños animalitos que viven formando colonias. En la imagen se observan extendiendo sus tentáculos para recolectar partículas de alimento Gusanos » Platelmintos o gusanos planos. Ejemplos: planaria, lombriz solitaria. » Nematodes o gusanos cilíndricos. Ejemplo: oxiuro. » Anélidos o gusanos segmentados en forma de anillos. Ejemplo: lombriz de tierra. Estos tres subtipos tienen en común la forma de “gusano”, es decir un cuerpo muy alargado. Los gusanos cilíndricos podrían compararse con tallarines y el cuerpo de los gusanos planos se asemeja a una cinta. Los anillados, pueden ser cilíndricos o achatados, pero su cuerpo está claramente dividido de tal forma que parecen estar conformados por muchas piezas unidas. Estos seres tienen órganos diferenciados que en muchos casos se organizan en sistemas. Todos tienen un primitivo cerebro con ramificaciones a todo el cuerpo, aparato digestivo, y, en los anélidos, hay además un sistema circulatorio y un sistema especial para eliminar desechos (sistema excretor). Algunos son de vida libre, como la lombriz de tierra (anélido), que se alimenta ingiriendo tierra y procesando los restos orgánicos que en ella se encuentran. Se movilizan ayudados por una gran cantidad de cerdas o quetas ubicadas a lo largo de todo su cuerpo. Son muy importantes para airear los suelos, ya que cavan galerías a medida que comen y su materia fecal es fertilizante. La planaria (platelminto), también de vida libre, es muy pequeña, mide alrededor de 1 cm y se encuentra frecuentemente en los acuarios de agua dulce. Se alimenta de restos que caen al fondo o se adhieren a las paredes del acuario. Tiene dos ojos muy simples y un órgano que puede proyectar hacia afuera del cuerpo, ubicado en su parte inferior. Este órgano se utiliza para ingerir alimento y para eliminar los desechos. La digestión se realiza en una cavidad que se ramifica por todo el cuerpo. Lombriz de tierra Planaria 167 9 Los animales como sistemas heterótrofos por ingestión Lombriz solitaria Otros gusanos son parásitos, es decir que se alimentan a expensas de otro ser de diferente especie en el cual se alojan. Tanto la lombriz solitaria (platelminto) –¡que mide más de dos metros!– como los oxiuros (nematodo) –que apenas llegan a 1 cm de longitud– viven en el sistema digestivo humano. Se nutren de las sustancias que hay en su interior, a las que absorben a través de su cuerpo. Ninguno tiene órganos especiales para respirar. El oxígeno que necesitan lo captan a través de la superficie de su cuerpo (respiración cutánea, a través de la piel). En cuanto a su reproducción, es en forma sexual, pero algunos tienen los dos sexos en el mismo individuo (hermafroditas). Igualmente, se unen para intercambiar células reproductoras y fecundarse en forma cruzada. Ese es el caso de la lombriz de tierra. La lombriz solitaria, en cambio, es la única que debe fecundarse a sí misma (o sea, autofecundarse), ya que, como su nombre lo indica, vive aislada sin contacto con otro de su especie para reproducirse. El pulpo tiene una gran cabeza y el pie está formado por tentáculos. El caparazón consiste en una pluma semirrígida dentro del cuerpo. Los animales de este grupo son todos acuáticos y se desplazan por propulsión a chorro como las medusas Otra curiosidad es que algunas especies de gusanos se pueden reproducir asexualmente: la planaria puede generar un individuo completo a partir de un fragmento de su cuerpo. Moluscos. Ejemplos: el calamar, el pulpo, el caracol, la babosa, la almeja y el mejillón. Tienen el cuerpo blando y un pie móvil cuya forma es variable. Muchos poseen caparazón que puede ser visible y sirve de protección, o muy reducido e incluido dentro del cuerpo. Estas tres características pueden dar lugar a seres muy diferentes entre sí: les presentamos a los tres tipos de moluscos a partir de sus representantes más conocidos: el pulpo, el caracol y la almeja. La almeja tiene el cuerpo dentro de un caparazón de dos valvas articuladas entre sí, que se cierran gracias a fuertes músculos. El pie emerge cuando quiere cavar en la arena para esconderse y tiene forma triangular. Todos son acuáticos. Algunos, como los mejillones, tienen estructuras para adherirse a los pilotes de muelles y cascos de barcos 168 Estos animales tienen los mismos sistemas de órganos que los humanos pero más simples: un sistema nervioso, con un cerebro rudimentario y cordones nerviosos. En los pulpos el cerebro es más complejo y además posee ojos similares a los humanos. Reaccionan a estímulos rápidamente, por ejemplo al sentirse amenazados sueltan un chorro de tinta que los oculta de un posible enemigo. CAPÍTULO 9 El caracol tiene un pie alargado que elimina una sustancia mucosa y se desliza sobre él: Su cuerpo está dentro de un caparazón. Las babosas pertenecen a este grupo de moluscos pero son especies sin caparazón. Es el único grupo que tiene especies de hábitat terrestre aunque también hay acuáticos. Autora de la foto Sol Feltrez 9 En lugar de sangre tienen un líquido llamado hemolinfa que forma lagunas entre los órganos, ya que no siempre circula por vasos sanguíneos. Por eso se dice que es abierto. La excepción ocurre en el caso de los pulpos y calamares ya que en ellos el circuito circulatorio es cerrado, dado que se realiza enteramente dentro de vasos sanguíneos. Existen órganos excretores que se encargan de eliminar los desechos de la hemolinfa. El aparato digestivo es muy completo, con dos aberturas: boca y ano, y órganos como esófago, estómago e intestino. Por último, hay un órgano de gran tamaño: el hepatopáncreas (equivalente al hígado). El caracol tiene una característica muy rara, y es que su aparato digestivo está retorcido de tal manera que el ano desemboca arriba y hacia un costado de la boca, por una ranura debajo del caparazón. En su boca tiene una rádula, una especie de rallador, que tritura las hojas que ingiere. El pulpo y el calamar tienen unas piezas bucales que parecen picos muy fuertes para atrapar a sus presas. La almeja, en cambio, se alimenta filtrando el agua e ingiriendo las algas microscópicas que están en ella. También aparecen en los moluscos órganos especializados para la respiración. Todos los animales que no poseen sistema respiratorio incorporan oxígeno directamente por la superficie de su cuerpo. En moluscos, en cambio, las especies acuáticas tienen unas estructuras llamadas branquias que son bañadas por el agua para permitir el ingreso del oxígeno disuelto en ella. En el caracol terrestre hay una zona debajo del caparazón (entre este y el cuerpo), llena de vasos sanguíneos por la cual entra el oxígeno. Si bien no es un órgano diferenciado, recibe el nombre de pulmón. La reproducción es por sexos separados en la mayoría, aunque el caracol es hermafrodita y tiene fecundación cruzada. La fecundación es externa, aunque en el pulpo es interna. Equinodermos. Ejemplos: estrella de mar, dólar de mar. Su característica más distintiva es el cuerpo muy achatado, con forma de disco, que puede tener varios brazos (forma de estrella). Poseen un esqueleto interno, aunque no lo parezca, ya que está recubierto por una fina capa de piel con espinas reducidas, pero esparcidas por toda su superficie, al igual que las branquias. Su sistema de locomoción es igualmente novedoso: tiene una red de conductos internos que recorren el cuerpo por los que circula agua. Esta ingresa por una abertura superior y luego es enviada hacia cientos de pies ubicados en la parte ventral (pies ambulacrales) a 169 9 Los animales como sistemas heterótrofos por ingestión lo largo de sus brazos. Así se crea un sistema de “sopapitas hidráulicas” que le permiten adherirse al sustrato y movilizarse muy lentamente, siempre asociados al fondo marino. Su boca es ventral en el centro de su cuerpo y el ano desemboca en la parte superior. En los brazos hay órganos que ayudan a digerir el alimento. Ingiere principalmente moluscos bivalvos, los sujeta rodeándolos con sus brazos y abre las valvas para alimentarse de su contenido. Estas extremidades también poseen cordones nerviosos y fuertes músculos. La reproducción se realiza por fecundación externa y poseen sexos separados, aunque las estrellas de mar tienen posibilidad de regenerar asexualmente su cuerpo completo aun a partir de un solo brazo. Las estrellas de mar con sus potentes brazos pueden abrir los caparazones de bivalvos para alimentarse El dólar de mar a diferencia de la estrella no tiene brazos Artrópodos. Ejemplos: insectos como la abeja, la langosta, la avispa, la cucaracha, la mosca, el mosquito, la mariposa, el grillo y la chinche verde; la araña, el escorpión, el cangrejo, el bicho bolita, el langostino, el camarón, el ciempiés y el milpiés. Este grupo es el más exitoso de la naturaleza si tomamos en cuenta que incluye más de un millón de especies que se han podido adaptar a los más diversos ambientes. Tienen variadas formas, pero siempre su cuerpo está dividido en segmentos diferenciados. Como su nombre lo indica, tienen patas articuladas (artro significa “articulación” y podos significa “patas”), que les facilitan el desplazamiento, en algunos casos con adaptaciones para nadar, saltar, cavar, etc. En todos los casos poseen un esqueleto externo que puede ser muy pesado como el de los cangrejos, o muy liviano y casi transparente como el de los insectos. Este esqueleto debe reemplazarse periódicamente para permitir el crecimiento, en un proceso llamado muda: el nuevo esqueleto se endurece en contacto con el aire cuando el anterior se desprende. Además tienen varios tipos de apéndices para la alimentación, reproducción, la recepción de distintos estímulos táctiles, olfatorios, visuales y sonoros (las antenas por ejemplo, funcionan como órganos de los sentidos muy desarrollados). Algunos apéndices son pinzas y constituyen peligrosas armas de defensa. Los insectos, además, tienen la particularidad de tener apéndices adaptados para volar (alas). Hay cuatro tipos de artrópodos según su morfología corporal: 170 CAPÍTULO Nombre Segmentos y esqueleto Apéndices Hábitat /Hábitos 9 Quelicerados: pinzas en la boca llamadas quelíceros. Ej. arañas, escorpiones, garrapatas y ácaros. Dos segmentos: cabeza y tórax fusionados (cefalotórax) y abdomen. Esqueleto liviano y delgado. Sin antenas. Un par de apéndices sensoriales. Un par de apéndices bucales (quelíceros). Cuatro pares de patas que salen del cefalotórax. Ojos simples, puede haber varios. Algunas arañas con órganos llamados glándulas hilanderas posteriores con las cuales construyen su tela. Escorpiones y arañas con glándulas venenosas. Terrestres en su mayoría. Garrapatas: parásitos en perros y otros. Ácaros: muy pequeños viven en suelo, alfombras, etc, alimentándose de restos de piel descamada y otros restos orgánicos. Algunas personas son alérgicas a ellos. Algunas arañas construyen una tela cuya forma varía según la especie. Allí tienen refugio y en ella atrapan sus presas. Crustáceos Ej. bicho bolita, langostino, camarón, cangrejo, langosta de mar. Dos segmentos: cefalotórax y abdomen. Esqueleto de grosor variable (similar a escudos o armaduras en el cangrejo y langosta de mar, con adelgazamientos entre segmentos). Dos pares de antenas. Varios pares de patas en el tórax (caminadoras) y abdomen (patas nadadoras). La gran mayoría acuáticos o de vida anfibia (agua-tierra) como los cangrejos. Pocos son terrestres de lugares húmedos (bicho bolita). Tres segmentos: cabeza-tórax-abdomen. Esqueleto liviano y delgado que mudan periódicamente. Un par de antenas. Tres pares de patas salen del tórax. Ojos compuestos. Dos pares de alas (en muy pocas especies faltan, en otras un par está modificado). Apéndices bucales con adaptaciones: • chupadores: mosca; • lamedores: mariposa; • picadores: mosquito. Terrestres/ aeroterrestres. Adaptados al vuelo. Patas con adaptaciones variadas para caminar, cavar, saltar o nadar. Muchos insectos muestran comportamientos complejos como migraciones (langostas), o comportamiento social (abejas, termitas) Sistemas de comunicación sofisticados (luciérnagas, por destellos de luz intermitentes o abejas según forma de volar comunican posición de una fuente de alimento). Dos segmentos: cabeza y tronco (muy alargado). Esqueleto liviano. Un par de antenas. Un par de mandíbulas. Muchos pares de patas a lo largo de todo el tronco. El primer par de patas en ciempiés son uñas venenosas. Terrestres de lugares húmedos y ocultos (en la tierra, debajo de troncos etc.). Ciempiés son carnívoros, se alimentan de insectos. Milpiés se alimentan de restos vegetales del suelo. 9 Autora de la foto: Sol Feltrez Insectos. Es el grupo que cuenta con el mayor número de especies. Ej. abejas, langostas, avispas, cucarachas, moscas, mosquitos, mariposas, grillos, chinches verdes, vaquitas de San Antonio, chicharras. Autor de la foto: Marcelo Roca Miriápodos: “muchos pies”. Ej: ciempiés y milpiés 171 9 Los animales como sistemas heterótrofos por ingestión Actividad Les presentamos ahora las siluetas de los representantes más típicos de cada grupo de los artrópodos. A partir del cuadro anterior, reconozcan y señalen los apéndices y segmentos corporales de cada uno. Morfología de artrópodos En cuanto a sus sistemas de órganos, tanto el nervioso y el digestivo como el circulatorio son muy similares a los de los moluscos. También tienen órganos excretores especializados para eliminar los desechos de la hemolinfa. El sistema respiratorio presenta una innovación que solo existe en artrópodos terrestres: una serie de tubos rígidos, las tráqueas, recorren todo el cuerpo y se conecta con el exterior a través de aberturas que están en ambos lados del abdomen. Los de vida acuática poseen branquias. 172 CAPÍTULO Los puntos oscuros alineados a lo largo del abdomen muestran la desembocadura de las tráqueas 9 9 Las arañas tienen glándulas especiales con las cuales tejen sus telas con delgados hilos muy resistentes en los que quedan atrapadas sus presas Las abejas, al igual que las termitas, son insectos sociales. Viven en colonias organizadas y se dividen el trabajo entre sus miembros En los insectos es especialmente notable la sucesión de cambios que se dan desde el nacimiento hasta llegar al individuo adulto. Este proceso se llama metamorfosis. En algunos casos hay varias fases que tienen formas y hábitats completamente diferentes. Por ejemplo, las mariposas son insectos voladores, se alimentan lamiendo el néctar de las flores y tienen capacidad de reproducirse. Pero en un estadio previo, juvenil (larva), son orugas que viven sobre plantas y solo se dedican a alimentarse de hojas y crecer; en determinado momento construyen a su alrededor un capullo dentro del cual se completa el proceso. Cuando este termina, emerge la mariposa, es decir, el individuo adulto. En otros insectos se da que, cuando son larvas, son casi idénticos al individuo adulto pero mucho más pequeños; por ejemplo, las langostas o los grillos. Metamorfosis del gusano de seda: las mariposas ponen muchos huevos. De ellos emerge una larva con forma de gusano blanco y sin alas. Crece mudando varias veces su piel exterior, y en determinado momento se suspenden de una rama con sus patas posteriores y comienzan a tejer un capullo usando las glándulas serígenas (que producen seda) situadas en la base de su cabeza. Allí queda encerrado el gusano y se produce la metamorfosis completa. Un tiempo después emerge una nueva mariposa de cada capullo. Ilustración Federico Torres 173 9 Los animales como sistemas heterótrofos por ingestión Actividades Observación de ciclo de vida del gusano de seda (Bombyx mori) El gusano de seda fue usado por los chinos desde el siglo XII antes de Cristo para obtener seda natural. La materia prima se obtiene a partir de los capullos que las larvas (gusanos) tejen y dentro de los cuales se desarrolla la mariposa adulta. Una vez que esta emerge, el capullo se procesa para obtener la fibra textil tan preciada. Les proponemos que elaboren un pequeño criadero de gusanos de seda en su aula. Para esto tendrán que conseguir una pecera que sea bastante grande. Deberán organizarse para que todos los días los gusanos tengan comida fresca. Pueden explorar en el barrio hasta encontrar árboles de morera y quitar sus hojas cuidadosamente, (sin arrancar ramas ni brotes para no dañar el árbol), ya que este es el único alimento que ingieren, ¡y lo hacen vorazmente! Lleven un registro diario sobre el comportamiento de los animales, su aspecto y tamaño. Les será muy útil investigar sobre su ciclo de vida, para no perderse detalle de lo que se podrá observar en el proceso de metamorfosis, y para conocer sobre los cuidados que hay que darles en cada etapa. Elaboren un informe final que incluya fotos tomadas por ustedes y registros de datos de la experiencia. Nota: Los huevos de gusanos de seda se consiguen fácilmente en las páginas de compra online en internet. La primavera es el mejor momento para iniciar la cría ya que nacen los gusanitos justo cuando brotan las moreras. Autor de la foto: Six 174 CAPÍTULO 9 Actividades Salida de campo para recolección y reconocimiento de características de insectos y otros artrópodos Les proponemos explorar una zona que tenga abundantes árboles y plantas. Lleven lupa, frascos, una red como las de cazar mariposas (la pueden confeccionar con un trozo de tul y un aro con mango). Algunos artrópodos son fáciles de observar ya que se quedan quietos. No ocurre lo mismo con los insectos voladores, por lo cual hay que intentar atraparlos con la red y meterlos en un frasco para poder describirlos. Luego podrán devolverlos al lugar donde los recolectaron. 9 Diseñen una planilla en la que vuelquen la siguiente información sobre cada ejemplar recolectado: 1) Nombre vulgar (si lo conocen) y clasificación (insecto, arácnido, crustáceo o miriápodo). 2) Lugar de recolección (suelo u otra superficie, oculto o no, lugar húmedo o no, sombreado o no, etc.). 3) Características del animal: a) Cuerpo: color, forma, longitud. b) Patas: cantidad, especificar si alguna tiene forma especial. c) Alas: cantidad, forma y aspecto (transparentes o rígidas). d) Antenas: cantidad, forma, longitud. e) Aparato bucal: describirlo y explicar, si lo observaron alimentándose, cómo lo hacía. Agrúpenlos finalmente por sus características comunes. vertebrados Características generales La característica que define su nombre es la presencia de un esqueleto interno que protege especialmente al sistema nervioso: las vértebras forman la columna vertebral y protegen al cordón nervioso que se origina en el cerebro, mientras que el cráneo aloja al cerebro y otros órganos de ese sistema. Todos los vertebrados poseen sistemas de órganos, que se asemejan mucho a los de los humanos. Los sistemas relacionados con la nutrición a) Sistema digestivo. Posee dos aberturas, la boca y el ano, y consiste en una sucesión de órganos huecos que forman el “tubo” digestivo, que conduce el alimento ingerido; en algunos de estos órganos se realizan también procesos químicos (intervienen sustancias llamadas enzimas 175 9 Los animales como sistemas heterótrofos por ingestión digestivas que actúan como “tijeritas” que rompen los nutrientes en partes muy pequeñas) y/o procesos físicos (por ejemplo, cortar y triturar alimento, proceso físico que realizan los dientes en la boca). A lo largo del tubo digestivo desembocan distintas glándulas anexas: hígado, páncreas y glándulas salivales cuya función es fabricar y liberar las enzimas digestivas. b) Sistema circulatorio. Es un sistema cerrado, formado por vasos diferenciados: arterias, venas y capilares. Por ellos circula la sangre. Hay un corazón que en los peces tiene dos cavidades, en los anfibios tiene tres compartimientos y en los reptiles, las aves y los mamíferos, cuenta con cuatro cavidades. Hay otro sistema llamado linfático por el cual circula la linfa, que tiene funciones relacionadas con la defensa ante enfermedades y con el transporte de grasas. c) Sistema respiratorio. Compuesto por un órgano importante por el cual ingresa el oxígeno a la sangre y se elimina dióxido de carbono. Este órgano es doble, es decir se encuentra de a pares. En los peces, que son acuáticos, son las branquias, que tienen contacto directo con el agua con la cual se hace el intercambio de gases. En el resto de los vertebrados, que son terrestres, el equivalente a las branquias son los pulmones. Los pulmones tienen una estructura interna con superficies adaptadas para el intercambio de gases. Los pulmones de los mamíferos son los que más superficie poseen para esta función tan importante, mientras que los más simples son los de los anfibios. En los animales terrestres también hay conductos que conectan los pulmones con el exterior, para permitir la entrada y salida del aire. d) Sistema excretor. Los órganos principales son los riñones, que fabrican la orina formada por agua y los desechos que las células generan y vuelcan a la sangre. El riñón filtra la sangre y retiene esos desechos. También hay conductos que llevan la orina para ser almacenada en una vejiga (presente en todos los mamíferos y algunos reptiles). En los peces, los anfibios, los reptiles y las aves, el sistema excretor, digestivo y el reproductor se comunican con el exterior por un mismo conducto. En los mamíferos hay conductos independientes para cada sistema, salvo en individuos machos en los que existe un conducto común solo para los sistemas excretor y reproductor. El sistema reproductor En todos los casos hay sexos separados y la reproducción es sexual. Los peces pueden tener fecundación externa, pero los grupos terrestres tienen fecundación interna. Los anfibios tienen fecundación externa y sus huevos se depositan en el agua rodeados de una sustancia gelatinosa. Los reptiles y las aves son ovíparos pero sus huevos tienen cáscara que los protege de la deshidratación, mientras que los mamíferos tienen desarrollo vivíparo. Peces Exclusivamente acuáticos, sus extremidades son aletas, y el cuerpo tiene escamas o placas. a) Peces cartilaginosos: tiburones y rayas. La raya tiene cuerpo en forma de disco achatado 176 No tienen huesos en su esqueleto sino cartílagos y son marinos en su mayoría. El cuerpo está revestido de placas sumamente pequeñas (su piel es similar al papel de lija). Respira por branquias conectadas con el exterior por medio de hendiduras branquiales. La fecundación es interna: su desarrollo puede CAPÍTULO 9 ser ovíparo, ovovivíparo o vivíparo (pueden repasar estos conceptos si releen el capítulo 6). Las rayas tienen cuerpo achatado y grandes aletas que agitan como alas para desplazarse. Una cola larga y puntiaguda con un aguijón, que puede ser venenoso; sus hendiduras branquiales se ubican ventralmente a ambos lados de la boca. Los tiburones, en cambio, tienen forma hidrodinámica (es decir que tiene un diseño alargado que no ofrece resistencia al avance). Sus hendiduras branquiales se sitúan a ambos lados del cuerpo. Tienen aletas pectorales, pélvicas, una o dos dorsales y una aleta caudal que le permite desplazarse mediante movimientos ondulantes. Poseen la línea lateral, un órgano sensorial especializado a ambos lados del cuerpo, y el sentido del olfato muy desarrollado. 9 El tiburón es un gran nadador con cuerpo hidrodinámico. Por delante de las aletas laterales se ven las hendiduras branquiales b) Peces óseos: merluza, salmón, pejerrey, dorado, etc. El esqueleto está formado por huesos, su cuerpo recubierto por escamas, las branquias están cubiertas por “tapas” llamadas opérculos, que abren o cierran para dejar circular el agua. Tienen aletas pectorales, pélvicas, que son pares, una o dos dorsales y una aleta caudal. Los hay tanto marinos o como de agua dulce. Poseen una cavidad interna hueca (vejiga natatoria). Este órgano les sirve para el equilibrio y además, al variar el aire que contiene, le permite al pez nadar hacia la superficie o hacia zonas más profundas sin hacer esfuerzo. Sería equivalente a un salvavidas que el animal puede inflar si desea acercarse a la superficie o desinflar para explorar el fondo. Su fecundación es externa. La mayoría son ovíparos. Poseen también línea lateral como órgano sensorial y el sentido del olfato muy desarrollado. En este pez óseo se observa una aleta pectoral de color negro en la zona de la cabeza y por delante una hendidura vertical que delimita el opérculo. En su interior están las branquias Anfibios Estos animales poseen una “doble vida”: sufren metamorfosis, como ocurre en los artrópodos. Su ciclo de vida comienza en el agua, donde se produce la fecundación externa y se depositan los huevos. El individuo que nace es acuático, posee branquias y es nadador. En su vida adulta desarrolla patas caminadoras y es terrestre. Tienen una forma particular de capturar el alimento (en general insectos, arañas): pueden proyectar su larga lengua hacia afuera mediante un rápido movimiento, y la víctima queda adherida a ella. Sapo. Autora de la foto: Sol Feltrez 177 9 Los animales como sistemas heterótrofos por ingestión Los anfibios tienen la piel desnuda, sin escamas ni pelos, ya que este órgano también sirve para la respiración al igual que la cavidad bucal que tiene como una especie de buche que siempre está en movimiento (subiendo y bajando, un movimiento de “bombeo”). Los sapos y ranas usan la cavidad bucal como caja de resonancia para emitir sonidos para atraer a las hembras. Las extremidades en los adultos son patas, con variadas formas adaptativas. Salamandra a) Salamandras: cola larga, 4 patas caminadoras. b) Sapos y ranas: sin cola; las patas traseras, más largas que las delanteras, son saltadoras. Las cuatro extremidades tienen membranas entre los dedos. Reptiles Sobre el esqueleto de esta tortuga se puede visualizar cómo las patas salen del cuerpo en forma lateral, razón por la cual los reptiles se desplazan mediante movimientos muy característicos (reptación) Se desplazan por medio de la reptación, un movimiento peculiar que se relaciona con la posición de sus patas –que salen desde los costados del cuerpo y no desde la parte inferior, además de ser muy cortas– por la cual el cuerpo se menea hacia ambos lados con movimientos ondulatorios. Esto es más notable en los reptiles sin extremidades como por ejemplo las víboras. Su cuerpo está revestido de escamas gruesas que a veces forman placas o escudos y sus patas tienen uñas. A este grupo pertenecen muchas especies ya extinguidas que vivieron hace millones de años: los dinosaurios (grandes saurios o grandes lagartos). a) Tortugas: su cuerpo está encerrado en un grueso caparazón. La boca no posee dientes y tiene un borde cortante. Hay terrestres y acuáticas. Dinosaurios 178 CAPÍTULO 9 b) Iguanas, camaleones y lagartijas: tienen el cuerpo alargado y la cola muy larga. Son animales terrestres. Tienen una lengua larga que proyectan hacia afuera para cazar a sus presas. c) Serpientes, víboras y culebras: la mayoría de estos animales son terrestres y no tienen patas. Sus mandíbulas se adaptan a tragar a sus presas enteras, aunque sean de gran tamaño. Algunas tienen órganos que liberan veneno al morder, y en muchos casos es mortal inclusive para el humano. Otras atrapan a su presa rodeándola con su cuerpo hasta asfixiarla. No tienen órganos auditivos pero captan vibraciones con todo su cuerpo. d) Cocodrilos, yacarés y caimanes: poseen patas cortas y tienen palmas. El cuerpo es alargado y la cola larga y robusta. La boca es muy grande, con un hocico alargado y fuertes mandíbulas. Son carnívoros, cazan a sus presas en el agua, aunque su vida es terrestre. Pueden estar sumergidos largo rato, cerrando sus orificios nasales. El camaleón se caracteriza por cambiar el color de su piel para pasar inadvertido frente a sus depredadores 9 Yacaré. Autor de la foto: Marcelo Roca Aves Su cuerpo está recubierto por plumas. Las extremidades anteriores están adaptadas para el vuelo (alas). Algunas aves no son voladoras sino caminadoras o corredoras (por ejemplo el ñandú). Otras aves tienen aletas en lugar de alas y son hábiles nadadoras (por ejemplo el pingüino). Cada pata tiene cuatro dedos o menos. Todas tienen pico y no tienen dientes. Estos animales son de sangre caliente, lo que significa que tienen una temperatura corporal constante independiente de la temperatura del medio exterior. En general, construyen nidos cuya forma y materiales varían según la especie. La posibilidad de volar implica la necesidad de tener un cuerpo lo más liviano posible: en el caso de las aves, su esqueleto posee huesos delgados con cámaras de aire (huesos neumáticos). Los pulmones tienen ramificaciones para alojar aire (sacos aéreos). Por otro lado, las plumas son una cobertura a la vez liviana e impermeable; existe además un espacio libre entre el plumaje y el cuerpo del animal que contribuye al equilibrio de la temperatura corporal. Las alas son extremidades anteriores modificadas y recubiertas con fuertes plumas llamadas “remeras”. Tienen muy desarrollada la musculatura pectoral (lo que conocemos como “pechuga”), para permitir el movimiento del vuelo. La cola con largas plumas sirve como timón. 179 9 Los animales como sistemas heterótrofos por ingestión Ocelo u ojo de la cola del pavo real Pavo real Avestruz 3 3 2 Plumón 6 5 1 4 Oca 2 El ala de la lechuza tiene dos tipos de plumas: unas son alargadas y fuertes (plumas remeras) y las del borde delantero del ala, que son suaves, similares a plumones 1 - Raquis; 2 - Cañón o cálamo; 3 - Barbas; 4 - Bárbulas lisas; 5: Bárbulas con garfios; 6. Garfios Pájaros: seguramente pensarán que pájaro y ave son sinónimos, pero... ¡no todas las aves son pájaros! Lo que ocurre es que los Paseriformes constituyen el grupo de aves con mayor cantidad de especies. Tienen cuatro dedos en las patas: tres hacia adelante y uno hacia atrás, que les permite sujetarse firmemente al posarse sobre una rama, ya que es una pata prénsil. Por eso se las conoce también como aves de percha. Los pájaros son cantores son, por ejemplo,canarios, gorriones, calandrias, tordos, jilgueros, chingolos, zorzales. Urraca. Autora de la foto: Florencia Angellotti 180 CAPÍTULO 9 a) Palomas y torcazas: tienen un gran buche en el que guardan alimento para sus pichones. Vuelan y caminan. Viven en grupo y son domesticables. b) Tucanes: poseen un pico muy voluminoso y colores muy llamativos. Las plumas de la cola terminan en punta. Comen insectos. Torcaza. Autor de la foto: Nicolás Luayza Arias 9 Tucán c) Loros y papagayos: el pico se caracteriza por ser robusto en la parte superior y forma un gancho hacia abajo. Emiten sonidos muy característicos y algunos imitan palabras. Comen semillas, su plumaje es muy colorido y tienen patas con dos dedos hacia adelante y dos hacia atrás. d) Gaviotas y golondrinas: son aves acuáticas, con patas palmeadas. Viven en las costas. e) Búhos y lechuzas: tienen cabeza ancha y ambos ojos dirigidos hacia adelante. Son de hábitos nocturnos y son rapaces (cazadoras); sus patas son fuertes para sostener a su presa; el pico es corto con forma de gancho. f) Colibríes: son aves muy pequeñas, de pico largo y cilíndrico; pueden quedar suspendidos en el aire durante el vuelo. Se alimentan del néctar de flores. Lechuza Guacamayo. Autora de la foto: Sol Feltrez Gaviotas. Autora de la foto: Emilia Giri 181 9 Los animales como sistemas heterótrofos por ingestión Colibrí Cisne. Autora de la foto Sol Feltrez g) Cisnes, patos, gansos: se caracterizan por ser acuáticas, nadan impulsadas con sus patas palmeadas. Poseen un pico plano y ancho. h) Pingüinos: poseen aletas en lugar de alas (no vuelan). Caminan torpemente en tierra pero gracias a las aletas y a sus patas palmeadas, nadan hábilmente. Poseen plumas que semejan escamas pequeñas. Son marinos. i) Gallinas, pavos, perdices: aves domésticas. Son caminadoras o hacen vuelos cortos. Pingüinos Perdiz. Autor de la foto: Chapi Pepe 182 j) Halcones, cóndores, buitres, águilas: aves rapaces con picos ganchudos y patas muy robustas para cazar y devorar presas. Algunas tienen gran tamaño. Su vuelo característico para avistar presas consiste en planear en círculos. Cóndor andino. En el caso de las hembras el largo total de ambas alas desplegadas es de casi tres metros y pesa unos 12 kg. Es el ave rapaz voladora más grande del mundo CAPÍTULO 9 k) Garzas, cigüeñas, flamencos: poseen patas muy largas adaptadas a vivir a orillas de cuerpos de agua. Tienen picos y cuellos también muy largos. l) Ñandú, avestruz: son aves corredoras, de patas muy largas y robustas. No vuelan. Sus alas son usadas para equilibrarse mientras corren. 9 Ñandú Garza blanca. Autor de la foto: E. Lumbrunner Mamíferos Su cuerpo está recubierto con pelos. Tienen glándulas mamarias para alimentar a sus crías y son vivíparos. Poseen extremidades con cinco dedos, con adaptaciones altamente especializadas en algunos casos. Hay representantes de hábitats aeroterrestres, acuáticos y terrestres. Tienen sangre caliente, al igual que las aves. El ser humano pertenece a este grupo. a) Ornitorrincos: son los únicos mamíferos que nacen de huevo. Tienen pico y patas palmeadas. Se mueven en el medio acuático. Ornitorrinco b) Canguros: se los llama marsupiales por tener una bolsa delantera –o marsupio– dentro de la cual están las glándulas mamarias. La cría nace con pocos centímetros de longitud y trepa hasta la bolsa para seguir su desarrollo mamando dentro de ella. Canguro. Autora de la foto: Sol Feltrez 183 9 Los animales como sistemas heterótrofos por ingestión a) Murciélagos: están adaptados para el vuelo. Son animales nocturnos que se alimentan de fruta o de sangre. Duermen colgados de sus patas con las alas replegadas. c) Osos hormigueros, mulitas, perezosos: son animales de formas variadas y sin dientes. La mulita posee placas en su cuerpo. El oso hormiguero posee un hocico tubular y una larga lengua para atrapar hormigas en sus hormigueros. Los murciélagos duermen cabeza abajo colgados de sus patas y con sus alas envolviendo su cuerpo d) Liebres y conejos: se caracterizan por sus orejas muy largas y erguidas. Poseen patas traseras saltadoras y dos dientes centrales. b) Ratones, ratas, castores, cobayos, carpinchos: Se los llama roedores por la forma en la que ingieren el alimento: con sus dos dientes centrales con rápidos movimientos “roen” su comida. Mulita. Autor de la foto: Marcelo Roca c) Ballenas, delfines: adaptados a la vida acuática, no poseen extremidades posteriores y las anteriores se convirtieron en aletas. Poseen orificios nasales sobre la cabeza y aleta caudal en posición horizontal, para favorecer la rápida salida a la superficie para respirar (recordemos que al tener pulmones deben respirar fuera del agua). Los peces, en cambio, tienen la aleta caudal en posición vertical. Liebre patagónica (mara). Autora de la foto: Sol Feltrez El carpincho es el roedor más grande que se conoce. Autor de la foto: Marcelo Roca 184 Delfín CAPÍTULO 9 9 Tigre. Autora de la foto: Sol Feltrez Lobo marino: una población de estos animales vive en el puerto de pescadores de Mar del Plata d) Focas y lobos marinos: su hábitat es mixto: acuático y terrestre. Son muy torpes en tierra y excelentes nadadores. Carnívoros. Poseen extremidades anteriores y posteriores con forma de aletas. Elefante. Autor de la foto: Sol Feltrez e) Perros, lobos, zorros y felinos (gato, puma, etc.), leones, tigres: animales carnívoros con colmillos largos y filosos y dientes puntiagudos. Poseen dedos con uñas. f) Elefantes: de cuerpo muy voluminoso, piel gruesa y muy poco pelo. Poseen una larga trompa (nariz y labio superior fusionados en forma de tubo). Colmillos muy grandes. g) Caballos, cebras, asnos: poseen de uno a tres dedos en cada pata convertidos en pezuñas. Son herbívoros. Cebra h) Cerdos, jabalíes, hipopótamos. Tienen dos o cuatro dedos en cada pata terminados en pezuñas. Piel muy gruesa y poco pelo. i) Camellos, jirafas, ciervos, cabras, llamas, vacas. Llamados “rumiantes” por tener su estómago dividido en cuatro cavidades. Se los suele ver rumiando cuando descansan, ya que la comida parcialmente digerida en el estómago vuelve a la boca para ser masticada nuevamente, y al ser tragada sigue su trayectoria recorriendo las cuatro cavidades para continuar el proceso digestivo. Hipopótamo 185 9 Los animales como sistemas heterótrofos por ingestión Jirafa Vicuña. Autora de la foto: Sol Feltrez j) Primates: este grupo está representado por los monos como el tití, el macaco y el babuino. También se incluyen los monos similares al humano (chimpancé, orangután y gorila), y el hombre. El chimpancé tiene gran destreza manual e inteligencia además de poder caminar erguido sobre sus patas traseras, rasgos que lo hacen similar al humano. Autora de la foto: Sol Feltrez 186 Una población de estos monos vive en el peñón de Gibraltar situado al sur de España. Autora de la foto: Liliana Mosso CAPÍTULO Actividades 1) ¿Quién es quién en las películas infantiles? La verdadera identidad de los personajes Seguramente recordarán muchos personajes de las películas que están inspirados en seres reales de la naturaleza. Les proponemos que intenten clasificar a los siguientes personajes para determinar a qué grupo del reino animal pertenecen: 9 9 Sebastián (película La Sirenita), Patricio, Bob Esponja, Calamardo, Nemo y Anémona (lugar donde vive Nemo), Gary (mascota de Bob), Lenny (protagonista de la película El Espantatiburones), Pinky y Cerebro, Timón, Pumba, Manuelita, Dumbo, Bugs Bunny, Pato Lucas, Porky, Tweety y Silvestre, los personajes de la película Bichos, Barny; Melman, Gloria, Alex, Marty y Kowalsky (de la película Madagascar). ¿Se les ocurren otros personajes? 2) Confección de un archivo de flora y fauna argentina para la biblioteca del colegio Hay muy poca bibliografía escolar que brinde información sobre la biodiversidad de nuestro país. Les proponemos que ustedes sean los recopiladores de datos y hagan uso de su creatividad para encontrar formas atractivas y sencillas de exponerla. Divídanse en equipos e investiguen sobre algún animal o planta que forme parte de la biodiversidad argentina. Deberán relevar datos sobre: nombre vulgar y científico, clasificación, distribución geográfica y descripción de la especie, sus costumbres y hábitat, ecorregión argentina en la que se encuentra. Consigan también imágenes y diseñen con este material una serie de diapositivas en Power Point o documento de Word. Expónganlo en clase, y luego, armen una carpeta que quede en biblioteca como fuente de consulta para otros compañeros. 3) ¡Vamos al cine! Película: Océanos Les proponemos mirar la película Océanos. Esta película pertenece a los Estudios Disney y fue estrenada en 2010. Tendrán que estar muy atentos ya que deberán anotar los nombres de todos los animales que vean en las distintas escenas. Luego realizarán en grupo las siguientes actividades a partir de la lista obtenida a) Clasifiquen a los animales en invertebrados y vertebrados. b) Clasifiquen a los invertebrados según los grupos analizados en clase. c) Clasifiquen a los vertebrados según los grupos analizados en clase. d) Analicen diferentes situaciones que se observan en la película, respecto a: • • • • • • Búsqueda de la comida. Pelea por el alimento. Reproducción, búsqueda de pareja. Camuflaje para defensa. Lucha por la supervivencia. Expliquen cómo impacta negativamente la actividad humana, sobre la biodiversidad de los océanos. 187 CAPÍTULO 10 Las relaciones tróficas entre los seres vivos Cuando viajamos por nuestro país, tenemos la posibilidad de conocer paisajes maravillosos, con infinidad de especies de seres vivos, adaptadas a diferentes climas y relieves. Recorremos nuestra puna norteña y nos cautiva la variedad de cactus que viven en armonía con guanacos, vicuñas y otros animales. También nos sorprenden los esteros del litoral, con su vegetación flotante, yacarés y carpinchos, las montañas y los lagos patagónicos surcados por hermosos bosques con ciervos y gran variedad de aves, las costas con sus playas, donde hay cangrejos, peces, ballenas y pingüinos, las sierras cubiertas de plantas nativas, atravesadas por arroyitos y cabritos que deambulan libremente o el verde intenso de la selva que llama a adentrarnos en ella, hipnotizándonos por su exhuberancia vegetal y con los sonidos de los animales. Así es nuestro país, donde vivimos hay ambientes naturales, con gran biodiversidad, algunos con mayor o menor intervención del hombre, como pequeños pueblos, chacras, campos o grandes ciudades. En unos o en otros, pueden estar ustedes, sus familias, sus vecinos o sus amigos, formando parte de la gran red de la vida, que todos debemos cuidar… Eco… ¿QUÉ? En primer lugar vamos a decir que la ecología (del griego oikos, casa y logos, discurso) es la ciencia que estudia la interacción de los organismos entre sí y con su ambiente físico, y los resultados de estas interacciones. Cuando hablamos de los seres vivos, dijimos que cada organismo es un sistema, en el que cada parte se relacionaba con otra, formando un todo. En la naturaleza existen los sistemas ecológicos o ecosistemas que son el conjunto de organismos de diferentes especies (componentes bióticos) que interactúan entre sí y con su entorno físico y químico (componentes abióticos). Los ecosistemas pueden ser muy grandes como la biosfera o un bosque, o muy pequeños, como un acuario. También los hay naturales como el fondo del mar y artificiales, como una ciudad o como un terrario. COMPONENTES ABIÓTICOS COMPONENTES BIÓTICOS 10 Las relaciones tróficas entre los seres vivos Actividades 1) Busquen diez ejemplos de componentes abióticos y diez de componentes bióticos. 2) Encuentren dos ejemplos de relaciones entre los siguientes componentes: a) Dos componentes bióticos. b) Dos componentes abióticos. c) Un componente biótico y uno abiótico. 3) Busquen diez imágenes de ecosistemas, y clasifíquenlos en naturales o artificiales. 4) Analicen en cada caso, a cuál de los conceptos anteriores corresponde: a) En la laguna conviven gran variedad de patos, flamencos, plantas acuáticas, peces, garzas, serpientes y algas ................................................................................................... b) El calor evapora el agua y genera un ambiente muy húmedo ......................................... c) Los monos aulladores de los Esteros del Iberá, viven en grandes grupos, liderados por un macho ............................................................................................................................ d) La puna, ubicada en zonas a más de 3500 m de altura con temperaturas mínimas que alcanzan varios grados bajo cero y las máximas no pasan los 12° C, es el lugar donde viven las vicuñas ................................................................................................................. e) Los habitantes del fondo del mar están distribuidos según la profundidad a la que llega la luz solar y la temperatura del agua ................................................................................ Se llama población al conjunto de organismos de la misma especie, que viven en el mismo lugar y en el mismo tiempo. El conjunto de poblaciones de diferentes especies (componentes bióticos) constituye una comunidad. El conjunto de componentes abióticos es lo que se llama biotopo. El hábitat es el lugar físico que ocupan los seres vivos de una especie. Vicuñas en la puna (Jujuy) 190 CAPÍTULO 10 El camino de la energía… Ya vimos que el Sol es necesario para la vida en la Tierra, no solo para tener una temperatura óptima para la supervivencia de las especies sino también porque hay organismos como plantas, algas, algunos protistas y bacterias, que son capaces de captar su energía y aprovecharla. Si bien la mayor parte de la energía se pierde en forma de calor, hay entre un 1 % y 3 % de esa energía que se usa en la fotosíntesis. ¿Recuerdan la importancia de este proceso? A través de él, los seres vivos autótrofos son los únicos que son capaces de tomar el agua y el dióxido de carbono, para transformarlo en oxígeno y en glucosa, dos sustancias vitales para la supervivencia. La glucosa es un azúcar formado por átomos, en cuyas uniones hay energía que se puede liberar cuando la glucosa es utilizada. Esto implica que la energía solar es transformada en energía química. Esta energía química contenida en los organismos autótrofos, pasa a otro organismo cuando se alimenta de él y así sucesivamente. En cada pasaje parte de la energía se pierde en forma de calor, o sea que la energía sigue un camino abierto, a diferencia de la materia que siempre se recicla y realiza un camino cerrado. Esto es lo que se llama cadena alimentaria y hay diferentes eslabones o niveles tróficos (del griego trophos, “que se alimenta de”): Productores (P): son los organismos autótrofos, que pueden producir su propio alimento a través de la fotosíntesis. En general, en un ecosistema terrestre son las plantas y en uno acuático son las algas. Se los ubica al principio de la cadena alimentaria. 1 0 Consumidores (C): son los organismos heterótrofos, que gastan parte de la energía incorporada al comer los seres vivos del nivel anterior en sus funciones vitales (respirar, moverse, reproducirse, defender su territorio). Solo queda una porción disponible de dicha energía para el nivel siguiente. Todos los seres vivos somos de alguna manera “parásitos” de los productores. Dentro de los consumidores hay: • De primer orden (C1): son los herbívoros que se alimentan de los productores (por ejemplo, la oruga). • De segundo orden (C2): son los que comen a los de primer orden y son carnívoros (por ejemplo, el sapo). • De tercer orden (C3): son los que comen a los de segundo orden (por ejemplo, la culebra). • De cuarto orden (C4): son los que comen a los anteriores (por ejemplo, el pájaro). Las cadenas habitualmente poseen hasta cuatro o cinco niveles, ya que en cada pasaje, la cantidad de energía disponible para el siguiente nivel disminuye. Descomponedores (D): son los que transforman la materia orgánica de los desechos de los otros seres vivos y de los organismos muertos en materia inorgánica muy simple, que se incorpora al suelo, pertenecen a este grupo los hongos y las bacterias. Veamos cómo representamos una cadena alimentaria (la flecha indica “es comido por”): Lechuga oruga sapo culebra P C1 C2 C3 pájaro C4 D 191 10 Las relaciones tróficas entre los seres vivos Actividades 1) ¡A tejer la red! • Busquen varias imágenes de seres vivos y llévenlas a clase (animales y plantas fundamentalmente). • Formen un grupo de trabajo. • Entre los integrantes del grupo armen la mayor cantidad de cadenas alimentarias que les sea posible (conviene que decidan si son cadenas de ecosistemas terrestres o acuáticos), colocando las figuras en orden, comenzando por el productor y siguiendo por los consumidores. • Ubiquen una cadena debajo de la otra, encolumnando todos los productores, consumidores primarios y así sucesivamente. • Copien en una hoja las cadenas, ubicando los nombres de cada ser vivo e indicando debajo el nivel trófico al que pertenece. • Analicen qué pasaría con una cadena si desaparecieran los seres vivos de uno de los niveles tróficos. • ¿Te parece que los organismos solo podrían alimentarse del nivel anterior o hay posibilidad de relacionarlos con algún nivel de otra cadena? ¿Se animan a hacerlo marcando con nuevas flechas? • Seguramente piensen que queda desprolijo, pero en la naturaleza se dan este tipo de relaciones cruzadas, donde los seres vivos tenemos varias opciones de alimentos. Lo que acaban de armar es una red trófica o red alimentaria. 2) A partir de la siguiente red trófica: a) Identifiquen los organismos y ubíquenlos en los diferentes niveles tróficos: Productores ......................................................... Huemul Hierbas Pudú Ciervo colorado Consumidores primarios ......................................................... Consumidores secundarios Conejo Árboles Castor Semillas Rata ......................................................... Consumidores de cuarto orden ......................................................... Búho Halcón Colibrí Zorzal Tero Murciélago Frutas Flores Especies exóticas Insectos Red alimentaria en el bosque andino patagónico b) Escriban las cadenas que encuentren, comenzando siempre por el productor. 192 Puma Chimango ......................................................... Consumidores terciarios Zorro CAPÍTULO 10 laS PoBlacionES… Cuando hablamos de poblaciones, nos referimos a un grupo de individuos que deben cumplir con tres condiciones: que sean de la misma especie (o sea que se puedan reproducir entre sí y son parecidos), que habiten en el mismo sitio y que compartan ese sitio en el mismo tiempo (normalmente el tiempo durante el cual se estudia la población). Son ejemplos: las poblaciones de pejerreyes (Basilichtys bonaerenses) de la laguna de Chascomús o la población de jabalíes (Sus scrofa) de El Palmar de Entre Ríos. Cuando uno visita un bosque, una laguna o cualquier otro ecosistema, probablemente encuentre las mismas especies de seres vivos año tras año, por ejemplo en una selva encontraremos mariposas, hongos, lianas, ranas, serpientes, aves, y otros. Pero si bien las especies son las mismas, no ocurre esto con las poblaciones de organismos, ya que van cambiando a lo largo del tiempo. Actividades Analicen en cada caso si pertenecen o no a la misma población. Justifiquen su respuesta: a) Los patriotas de la Revolución de Mayo y nosotros. b) Los flamencos andinos que viven en Laguna Brava y los flamencos andinos que viven en Laguna Blanca. c) Las vicuñas y los guanacos que habitan en Antofagasta de la Sierra. 1 0 Las poblaciones poseen características propias: crecimiento, estructura por edades, densidad y disposición espacial. El tamaño de las poblaciones no es constante a lo largo del tiempo, puede haber variaciones dadas por las diferencias que se pueden dar entre los nacimientos, muertes y migraciones. Crecen de diferentes maneras. Algunas lo hacen al principio lentamente y al cabo de un tiempo lo hacen rápidamente, hasta que comienza a faltar el alimento y el espacio. Es entonces que dejan de crecer o desaparecen, como el caso de las floraciones de algas, que surgen en la primavera cuando hay abundancia de recursos y mueren cuando estos se agotan. Otro ejemplo puede ser cuando ante la presencia de basura aparecen moscas que se reproducen y crecen rápidamente debido a la abundancia de alimento. En la naturaleza el crecimiento de las poblaciones está continuamente regulado por diferentes factores que influyen en ellas, por ejemplo la disponibilidad de alimentos, la competencia con otras poblaciones, los predadores, las condiciones climáticas. Los individuos de una población tienen diferentes edades, sexo y tamaño. Lo que más se usa para caracterizar la estructura de una población es la edad. Para esto se tiene en cuenta la proporción entre diferentes clases de edad, que podrán ser prerreproductores, reproductores o posrreproductores. Según las proporciones de dichas edades, se pueden predecir los cambios en el tamaño de la población, por ejemplo una población joven que está en etapa reproductiva, asegura a futuro un número poblacional en expansión; o si hay pocos en edad reproductiva y muchos posrreproductores, estará en decadencia. Otras características que se analizan en las poblaciones son la densidad o sea la cantidad de individuos que hay en una unidad de superficie o volumen y la distribución espacial. Los organismos se disponen en el espacio de tres formas posibles: al azar (todos dispersos o en forma irregular), en grupos o uniforme (en forma regular). 193 10 Las relaciones tróficas entre los seres vivos Población de liebres (azar) X X Población de pingüinos (grupos) XXX X XX X X X X X X X X X X X X XXX Población de pinos (regular) XX XXX X X X X XXX X X X X las poblaciones interactúan… Actividad Busquen dos ejemplos de poblaciones de seres vivos que tengan distribución espacial: a) al azar; b) en grupo; c) uniforme. Las poblaciones no viven aisladas, sino que existen varias formas de relacionarse entre ellas, a través de la competencia, la depredación y la simbiosis. La competencia se puede dar entre organismos de la misma especie (intraespecífica) ya sea dentro de la misma población o no, o entre organismos de diferentes especies (interespecífica). Pueden competir, por ejemplo, por el alimento, el lugar, la luz, el agua. Es necesario conocer lo que se denomina nicho ecológico para analizar las interacciones entre las poblaciones. Por nicho entendemos el rol que cumple un organismo en el lugar donde vive, sería como su “profesión”. Para definir el nicho ecológico de un organismo, se tienen en cuenta los factores ambientales que necesita para vivir, de qué se alimenta, qué actividades realiza a lo largo del día. Cuando los seres vivos superponen sus nichos ecológicos pueden entrar en competencia. Es común cuando se introducen especies exóticas en un ambiente, que estas comiencen a competir por los recursos con las nativas. En muchos casos, la especie nativa se ve desplazada, y o debe emigrar o puede entrar en un camino de extinción. Un ejemplo es el macá tobiano, un ave que solo habita en la Argentina, que acaba de ser recategorizada internacionalmente como especie en peligro crítico (por la UICN), el máximo nivel de alerta, tras declinar en un 80 % su población en los últimos 25 años. Las mesetas ubicadas entre los 700 y 1500 metros de altura en el sur argentino, son su hábitat natural en el verano. En algunas de ellas, la principal problemática se da por la introducción de la trucha arcoiris para la pesca deportiva, que compite por el alimento con estas aves. La depredación es una interacción que se da entre un depredador (organismo que come a otro) y su presa Macá tobiano 194 CAPÍTULO (organismo que es comido). Si bien los primeros se benefician individualmente y los segundos se perjudican, si consideramos respectivamente ambas poblaciones, ellas se pueden beneficiar. Los depredadores mantienen el tamaño de su población gracias a la energía que obtienen de sus presas y la población de presas tiene quien le regula su tamaño, manteniendo un equilibrio entre la cantidad de individuos y la disponibilidad de los recursos. Se da un circuito entre ambas poblaciones que tiende a estabilizar el tamaño de ambas poblaciones: 10 Actividad Describan su propio nicho ecológico. 1) Cuando hay muchas presas disponibles, aumenta la población de depredadores. 2) Con el tiempo disminuye la población de presas y entonces decaerá también la de depredadores. 3) La población de presas se recupera y crece nuevamente, reiniciándose el ciclo. Gaviota cocinera 1 0 Visón americano Este equilibrio no siempre se da en la realidad, en especial si el depredador es muy eficiente, y puede comer una cantidad constante de presas independientemente de la cantidad que haya en el lugar. Esto puede terminar disminuyendo drásticamente la población de presas colocándola en el límite de la extinción y a la larga, también pone en riesgo su propia existencia si no amplía su dieta. Volviendo al ejemplo del macá tobiano, que vimos anteriormente, también es víctima de la depredación por la introducción del visón americano, una especie exótica que se trajo a la Argentina para criarla en cautiverio y utilizar su piel. Debido a escapes accidentales y a la suelta de visones de establecimientos que cerraron, se transformó en una importante amenaza para varias especies animales. Esta especie exótica está expandiéndose rápidamente en cuencas de ríos de la región andino patagónica y es el principal depredador de los adultos de macá tobiano. También tiene nuevos depredadores autóctonos. Es el caso de una especie nativa de la Argentina, la gaviota cocinera, que antes vivía en la costa. Ahora está afectando a las aves en la meseta patagónica, a donde llegó siguiendo las actividades humanas. La gaviota ataca los nidos, comiendo los huevos y los pichones del macá tobiano. 195 10 Las relaciones tróficas entre los seres vivos Actividades Les proponemos trabajar con una página web: www.iucn.org/es/ 1) ¿Qué significan las siglas UICN? 2) ¿Quiénes la conforman? 3) ¿Qué actividades realiza esta organización? 4) ¿Qué son las listas rojas? 5) Busquen alguna especie de nuestro país que esté amenazada. Realicen una ficha ecológica sobre esa especie que incluya: • Nombre vulgar: ...................................................................................................................... • Nombre científico: ................................................................................................................. • Ubicación geográfica (ubicar en un mapa)........................................................................... • Habitat: ................................................................................................................................... • Características morfológicas: ................................................................................................ • Rasgos más importantes de la reproducción: ...................................................................... • Predadores: ............................................................................................................................ • Presas o alimentos: ................................................................................................................ • Representen la red trófica. .................................................................................................... La simbiosis es una asociación íntima y prolongada entre dos o más organismos de diferentes especies. Existen tres tipos de relaciones simbióticas: a) El comensalismo, que se da cuando una especie se beneficia con otra, pero la primera ni beneficia ni daña a la otra. Existe un pez llamado rémora que se desplaza debajo del tiburón, aprovecha los restos de alimento que se le caen para comerlos. b) El parasitismo, que se da cuando una especie es beneficiada y la otra es dañada. Hay varios ejemplos de parásitos en animales, como piojos, garrapatas, lombriz solitaria, etc. que viven a expensas del otro, perjudicándolo. c) El mutualismo, que se da cuando ambas especies se benefician. En otro capítulo del libro, analizamos a los líquenes como el producto de una íntima relación entre un alga y un hongo. Otro ejemplo de mutualismo es el cangrejo ermitaño que se esconde en la anémona de mar, permitiendo que esta se pueda desplazar de lugar y ampliar sus posibilidades en la dieta. 196 CAPÍTULO 10 Lectura Viajó de colado En 1991, desde China, el molusco Limnoperna fortunei llegó al Río de la Plata y se instaló para quedarse. Conocido como “mejillón dorado”, posee una gran capacidad reproductiva, se adapta muy bien al medio y tiene un alto grado de dispersión, según expresa el doctor Francisco Sylvester, investigador del CONICET en el Departamento de Ecología, Genética y Evolución de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (FCEyN) de la UBA. Cuando se debe trasladar mercadería de un lugar a otro, para compensar la carga y que el barco no quede en malas condiciones de flotación, los barcos modernos llenan inmensos tanques con agua del puerto de origen (agua de mar o de río, según el caso). Luego de recorrer grandes distancias, al llegar al puerto de destino, descargan el agua (agua de lastre) y se llevan la mercadería de exportación. El barco que trajo las larvas y adultos del mejillón desde China, o desde algún país del Sudeste Asiático, introdujo a Limnoperna fortunei en el ambiente, al vaciar en el Río de la Plata sus tanques llenos con agua de lastre. Se sabe que es una especie nativa de la China. La distribución de Limnoperna se extiende desde el Río de la Plata hasta casi toda la cuenca del río Paraná, Paraguay y Uruguay. 1 0 Para la ecología, un invasor biológico es una especie originaria de otro lugar (otra tierra, río u océano) que llega a un ecosistema diferente y lo coloniza pasando a formar parte del nuevo ambiente. Se reproduce rápidamente, se instala en muchos lugares de diversas características (generalmente debido a la ausencia de sus depredadores naturales, que se quedaron en el hogar de origen) e interactúa con otras especies del mismo ecosistema. Es lo que hizo el mejillón dorado al introducirse en el Río de la Plata. “En realidad, de acuerdo con nuestras observaciones, el mejillón dorado está ocupando un lugar y unos recursos (es decir un nicho ecológico) que estaba en gran medida vacante”, explica Silvestre… Limnoperna fortunei interactúa con toda la cadena trófica. La especie consume algas del fitoplancton, de modo que compite con el zooplancton por el alimento. Asimismo, el mejillón come el zooplancton e interactúa con los peces. En este último caso, mientras que para algunos resulta beneficioso, no lo es para otros: los peces que tienen estadios larvales que requieren del plancton para sobrevivir se quedan sin alimento. En cambio, muchos otros peces, tanto estadios juveniles como adultos, se alimentan de Limnoperna. Así, se establecen relaciones tróficas bastante complejas. El mejillón dorado genera más problemas de los que uno podría creer. El molusco se incrusta en los sistemas de agua destinados para la potabilización, y sistemas anti incendio provocando la reducción en el diámetro de tuberías, el bloqueo de cañerías, la contaminación del agua, la oclusión de filtros y el aumento de la corrosión de diversas superficies. También obstruye las tuberías del sistema de refrigeración de las centrales nucleares y al pegarse en el fondo de los buques comerciales afecta su autonomía y aumenta el consumo del combustible. Para controlar o combatir la incrustación del mejillón dorado sobre las embarcaciones, se utiliza una pintura a base de óxido de cobre, un compuesto tóxico para el mejillón. También se trata de vaciar el agua de lastre de los buques en alta mar, evitando la llegada de los moluscos invasores al río o a los mares. Fuente: revista digital de la Facultad de Ciencias Exactas de la UBA http://noticias.exactas.uba.ar. Adaptación del artículo de Analía Karadayian. Limnoperna fortunei o mejillón dorado 197 10 Las relaciones tróficas entre los seres vivos Actividades finales 1) Lean el artículo de divulgación científica de la página anterior y respondan: a) Identifiquen el nombre común de la especie. b) Identifiquen el nombre científico de la especie. c) ¿En nuestro país la especie es nativa o exótica? d) ¿En China la especie es nativa o exótica? e) Causas de la introducción en nuestro país. f) Consecuencias de su introducción en nuestro país. g) Acciones para el control de la especie. 2) Les proponemos un viaje por nuestro país. Se dividirán en grupos de dos personas y seleccionarán un parque nacional. Buscarán información en libros, en la página web www.parquesnacionales.gov.ar, folletos, etc. Armarán una presentación audiovisual en la computadora que incluya: • nombre del parque nacional; • su historia; • los objetivos por los que fue creado; • ubicación geográfica (en mapa); • clima, relieve, flora, fauna, si hay especies amenazadas y preservadas; • otros datos de interés. Con la presentación audiovisual realizarán en simultáneo, una exposición oral en la que explicarán cada diapositiva. 3) El yaguareté es un símbolo de la selva Les proponemos que averigüen cuál es la situación actual de este animal, cuáles son las causas y qué acciones se están realizando para revertir dicha situación. Con toda la información escriban un texto informativo y realicen un afiche publicitario para la toma de conciencia de lo que está ocurriendo con el yaguareté. Yaguareté 198 CAPÍTULO 10 Actividades finales 4) La huerta orgánica ¿Recuerdan los plantines que prepararon en el capítulo de plantas? Ahora podrán usarlos en el armado de una huerta orgánica. Podrán encontrar información a través de la página web http://inta.gob.ar/documentos/ la-huerta-organica o acercándote a las dependencias del INTA (Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria) que esté más cercano a su escuela para pedir asesoramiento técnico y semillas. Antes de que empiecen, les queremos recordar que los tiempos de la naturaleza no son iguales a los que llevamos todos nosotros en las corridas diarias. Tendrán que respetar los ciclos de la naturaleza, y para ello habrá que empezar a disfrutar cada momento y… ¡saber esperar! Créannos que esta espera, vale la pena… A partir de la huerta podrán ir observando los cambios que se van dando a lo largo de la temporada, desde la siembra hasta la cosecha. Para esto sacarán fotos y registrarán en un cuaderno, lo siguiente: 1 0 a) el crecimiento y desarrollo de las plantas (aparición de primeras hojas, altura, flores, frutos); b) las necesidades de las plantas; c) la aparición de animales que colaboran o perjudican a las plantas; d) las cadenas alimentarias que van apareciendo; e) los problemas que surgen con los cambios climáticos y con los predadores; f) las posibles soluciones a los problemas que surgen. Cuando comiencen a cosechar, será el momento de entregar un informe escrito sobre todo lo observado. 199 CAPÍTULO 11 El cuerpo humano como sistema Mafalda, por Quino Al fin solos...para hablar de nosotros Acabamos de explorar juntos el enorme abanico de la biodiversidad: conocieron seres unicelulares, animales, hongos, plantas.... También aprendieron sobre el papel que cada uno de ellos desempeña en la trama de la vida. ¿Y nosotros, los humanos? ¿No somos parte de esa biodiversidad? ¡Por supuesto que sí! Reservamos este último espacio para estudiarnos a nosotros mismos, para comprender cómo dentro del “envase” que es nuestro cuerpo, se organizan los órganos para cumplir las funciones de la vida, y más sorprendente aún, cómo esa “orquesta” de órganos tan diversos permite que seamos un individuo (palabra que deriva del latín individuus y significa indivisible). También vamos a averiguar por qué logramos ser algo más que simples seres biológicos, y qué cualidades nos distinguen del resto de los animales. Comencemos recordando que nuestra estructura corporal está compuesta por células, que a su vez forman tejidos, y que estos configuran órganos. En los humanos, al igual que en todos los vertebrados, existen agrupaciones de órganos que actúan en forma coordinada dando lugar a los sistemas de órganos. Algunos de ellos se conocen con el nombre de aparatos. Aparatos y sistemas de órganos representan el máximo nivel de complejidad estructural que puede tener un ser vivo. 11 El cuerpo humano como sistema Nuestros sistemas orgánicos Sistema linfático (transporte) NUTRICIÓN Sistema digestivo Sistema respiratorio Sistema excretor Sistema inmunitario (defensa ante enfermedades) Sistema nervioso (coordinador y regulador) Sistema circulatorio (transporte) Sistema endocrino (coordinador y regulador de crecimiento y desarrollo) Sistema reproductor (genera descendencia) Masculino Femenino Sistema osteo-artro-muscular (locomoción y movimiento) Como se puede observar en el esquema anterior, el “director de orquesta” y coordinador de todos los sistemas orgánicos es el sistema nervioso. Esto se logra a partir de que todos los órganos del cuerpo están inervados, es decir, están recorridos por nervios que forman parte del sistema nervioso. El ejecutor de todas las órdenes motoras (relacionadas con movimientos o desplazamientos) que parten del sistema nervioso es el sistema ósteo artro muscular (huesos, articulaciones y músculos). El sistema endócrino, por su parte, también está gobernado por el sistema nervioso, y cumple la función de regular los procesos de crecimiento y desarrollo; de él depende el sistema reproductor tanto en el varón como en la mujer, cuya finalidad es generar la descendencia. El sistema endócrino también regula el funcionamiento de varios órganos de otros aparatos. Hay cuatro sistemas que se integran para realizar procesos de nutrición del organismo: son el digestivo, respiratorio, excretor y circulatorio. El sistema circulatorio es quien transporta los nutrientes obtenidos de los alimentos a cada una de las células del cuerpo, para lo cual es fundamental que todos los órganos estén irrigados (es decir, que lleguen a ellos vasos sanguíneos). El sistema endócrino también utiliza el circuito circulatorio para enviar señales a través de sustancias químicas que son recibidas por los órganos involucrados en el crecimiento y desarrollo. El sistema circulatorio es el principal transportador, pero no el único. Otro sistema menos conocido y más reducido en cuanto a su recorrido y funciones, también es transportador: se trata del sistema linfático, que colabora en el funcionamiento del sistema inmunitario y el digestivo. (Para enfatizar su función transportadora se los esquematizó como circuitos que interconectan diferentes sistemas). Por último, las barreras protectoras contra enfermedades están conformadas por el sistema inmunitario, que se vale de órganos muy diversos, algunos de los cuales también forman parte de otros sistemas. 202 CAPÍTULO Actividades Antes de seguir... Identifiquemos los sistemas Les presentamos cada uno de los sistemas humanos, y los órganos que los conforman. A partir de la información anterior y lo que recuerden de otros años, ¿podrían identificar de qué sistema se trata en cada caso? ¿Qué órganos reconocen? Señálenlos sobre los esquemas. SISTEMA...................... SISTEMA...................... SISTEMA...................... 11 1 1 SISTEMA...................... SISTEMA...................... 203 11 El cuerpo humano como sistema Actividades SISTEMA...................... SISTEMA...................... SISTEMA...................... 204 SISTEMA...................... SISTEMA...................... CAPÍTULO 11 Los sistemas por dentro Probablemente algunos sistemas les resultarán muy familiares y haya otros que no pudieron identificar. Les proponemos explorar cada uno de ellos haciendo un “zoom” para interiorizarnos sobre sus componentes y funciones. Los agruparemos según las funciones que en conjunto desempeñan, que son: nutrición; coordinación, relación y movimiento; defensa; reproducción. Función de nutrición Cuando comenzamos a hablar de los seres vivos, dijimos entre otras cosas, que estábamos formados por células y que intercambiábamos materia y energía con el medio que nos rodea. Esa materia y energía, son necesarias para que cada una de nuestras células puedan realizar sus funciones vitales y nosotros poder hacer tantas actividades cotidianas como jugar, estudiar, movernos… 1 1 Alimentos y nutrientes… ¿son lo mismo? Los alimentos contienen diferentes nutrientes, que son indispensables para que nuestro cuerpo funcione normalmente. Según la cantidad que debemos consumir, existen dos tipos de nutrientes: Macronutrientes: son aquellos de los que debemos consumir a diario en grandes cantidades (hidratos de carbono, proteínas y lípidos). Micronutrientes: de ellos debemos consumir en pequeñas dosis y son necesarios para el buen funcionamiento del cuerpo (vitaminas y minerales). También los podemos clasificar según su función y para visualizar esto, les proponemos que imaginen que su cuerpo es una casa. Para construir una casa hay que armar una estructura que puede ser de diferentes materiales. Supongamos que está hecha con ladrillos. Si apoyamos los ladrillos simplemente, unos sobre otros, ¿les parece que esas paredes serán resistentes? Por supuesto que no, necesitan de cemento entre los ladrillos para que se sostengan correctamente. Al igual que la casa, nuestro cuerpo requiere formar tejidos, reponer partes, crecer y para ello están las proteínas, que nos ayudarán a formar la Hidratos de carbono Lípidos Vitaminas y minerales Proteínas 205 11 El cuerpo humano como sistema estructura del cuerpo. Pero ellas solas no pueden con todo. Al igual que el cemento ayuda a los ladrillos a sostenerlos, las vitaminas y minerales colaboran con las proteínas para el buen funcionamiento del organismo. Actividades Busquen diez etiquetas de alimentos: 1) Señalen en cada caso qué nutrientes son los que están en mayor proporción y clasifíquenlos según sean: energéticos, estructurales o reguladores. 2) Indiquen si contienen aditivos, es decir sustancias sin función en la nutrición y que solo se agregan a los alimentos procesados con la finalidad de mejorar su aspecto (color, sabor, textura, aroma) o evitar que se descompongan (conservantes). 3) Averigüen si los aditivos traen alguna consecuencia en la salud. En el interior de la casa hay luz y cierto calor, que son diferentes tipos energía. En nuestro cuerpo, serán los hidratos de carbono y las grasas quienes nos aportan la energía, aunque también cumplen otras funciones. Entonces podemos separar a los nutrientes en: Energéticos: son los que aportan energía (hidratos de carbono y grasas, los más importantes). Estructurales: son los que ayudan a formar nuevos tejidos (proteínas y algunos minerales). Reguladores: son los que se vinculan con el uso adecuado de los nutrientes energéticos y estructurales (vitaminas y minerales). proteínas Son indispensables para: Construir los tejidos del cuerpo (piel, músculos, sangre, huesos) en especial durante el crecimiento y reparar tejidos durante toda la vida. Formar defensas contra enfermedades. Asegurar el buen funcionamiento del cuerpo. Aportar energía en menor medida. Se las encuentra en diferentes alimentos: De origen animal: carne, pescado, huevo, leche, queso y yogurt. De origen vegetal: legumbres (porotos, lentejas), cereales, semillas (nueces, almendras, maní). Hidratos de carbono Aportan la energía que se utiliza en las actividades cotidianas y mantienen la temperatura corporal. Hay hidratos de carbono simples como los azúcares (la glucosa es el más importante) y complejos, como las fibras y el almidón. Se los encuentra en diferentes alimentos: en el azúcar y todo lo que se prepara con ella; en el pan, las pastas, el arroz, la papa, el poroto, la sémola, la maicena, la avena, etc. 206 CAPÍTULO 11 Es recomendable el consumo de legumbres y cereales pues además de poseer almidón, aportan fibras que favorecen y aceleran la digestión, previenen el estreñimiento, también bajan el colesterol y el azúcar en sangre. Por esto se considera que el consumo de fibras ayuda a prevenir enfermedades cardiovasculares, obesidad, diabetes y cáncer de colon. La fibra también está presente en las frutas y verduras, por lo cual tenemos que incorporarlas a nuestra dieta. Grasas o lípidos Son la reserva de energía del cuerpo. Aportan componentes necesarios para el crecimiento, mantenimiento de tejidos, para el desarrollo del cerebro y la visión. Rodean y protegen de golpes a los órganos internos. Son necesarios para transportar algunas vitaminas. Son aislante térmico. Se los encuentra en diferentes alimentos: De origen animal: carnes rojas, huevos, leche y derivados. De origen vegetal: aceite, semillas, palta, aceitunas, nueces, almendras. 1 1 No hay que abusar en el consumo de grasas de origen animal, porque aumentan el colesterol y aumentan el riesgo de enfermedades cardiovasculares. Vitaminas Son esenciales para los procesos vitales, se requieren en pequeñas cantidades, intervienen en la defensa contra las enfermedades, en el crecimiento, en la reparación de los tejidos. Vitamina A: actúa en la formación y mantenimiento de dientes, tejidos blandos y óseos, mucosas y piel, fortalece el sistema inmunitario, favorece la visión nocturna y previene enfermedades. Se encuentra preferentemente en los siguientes alimentos: leche, huevo, hígado, espinaca, zapallo, zanahoria y damasco. Vitamina D: absorbe y regula el calcio necesario. El cuerpo la fabrica en presencia del sol (con tan solo 10 a 15 minutos de exposición solar tres veces a la semana es suficiente). Alimentos: leche, yogurt, queso, manteca, pescado e hígado. Vitamina E: es antioxidante, es decir que evita el envejecimiento de las células. Alimentos: nueces, semillas, aceitunas, hortalizas de hojas color verde y aceites de maíz, girasol o soja. Vitamina K: interviene en la coagulación de la sangre. Alimentos: espinaca y otras hortalizas de hojas color verde. Vitamina complejo B: ayudan en la obtención de energía a partir de los hidratos de carbono, en el funcionamiento del sistema nervioso y participan en la producción de hormonas y proteínas. Alimentos: hígado, carne, huevos, arroz, trigo, avena, soja, lentejas, nueces, frutas y verduras. Vitamina C: colabora en los tejidos como piel, vasos y cartílagos, ayuda en la absorción del hierro de vegetales, refuerza las defensas, previene enfermedades cardiovasculares y cáncer. Alimentos: principalmente en los cítricos, también hay en tomate, coliflor, brócoli, frutillas, melón. 207 11 El cuerpo humano como sistema Minerales Son necesarios para que el cuerpo funcione normalmente. Ellos son: magnesio, calcio, hierro, potasio, sodio, cobre, flúor, yodo, cobalto, manganeso, zinc, fósforo. Calcio: sirve para construir y mantener huesos y dientes, coagulación de la sangre, contracción muscular, transporte de oxígeno. Alimentos: productos lácteos, verduras de color verde oscuro. Hierro: forma parte de la hemoglobina que interviene en los glóbulos rojos de la sangre en el transporte del oxígeno. Alimentos: carne, acelga, espinaca, frutos secos, legumbres y cereales. Es conveniente consumir los alimentos de origen vegetal junto a otro que contenga vitamina C, para una correcta absorción del hierro, cosa que no es necesario hacer cuando se consume carne. Agua: si bien no cumple con funciones energéticas ni estructurales, el agua es indispensable para el correcto funcionamiento del organismo. A través de ella se vehiculizan sustancias como nutrientes y desechos y además se regula la temperatura corporal. Es necesario consumir entre 1,5 l a 2,5 l de agua por día. ¡A comer! Llegó el momento de decidir… Alimentarnos correctamente está íntimamente relacionado con gozar de buena salud. Según la OMS (Organización Mundial de la Salud) la salud es el grado de bienestar físico, mental y social. Una alimentación variada y equilibrada nos ayudará a prevenir enfermedades, por esto es tan importante crear buenos hábitos alimentarios. En nuestro país existe una gráfica de alimentación saludable, en la que los alimentos están reunidos en grupos, cada uno de estos contiene una composición nutricional similar. El tamaño de los grupos está en función de la proporción que se recomienda consumir. 10 cucharaditas de azúcar + 6 cucharaditas de dulce o mermelada 4 cucharaditas soperas de aceite + 2 cucharaditas de manteca 1 porción mediana 1 porción tipo cassete 3 frutas 1 plato de verduras cocidas 1 plato hondo 1 plato 2 veces por semana 2 y 3 litros de agua potable todos los días 4 pancitos o 12 rodajas Fuente: AADYND, Guías alimentarias para la población argentina, noviembre 2000 208 1 plato 5 veces por semana CAPÍTULO 11 A continuación te daremos una serie de recomendaciones respecto al consumo de los grupos de alimentos, que fueron elaboradas por los nutricionistas argentinos, para lograr una alimentación saludable: 1. Comer con moderación e incluir alimentos variados en todas las comidas. 2. Consumir variedad de panes, cereales, pastas, harinas, féculas y legumbres. 3. Consumir leche, yogurt y quesos todos los días. 4. Comer diariamente frutas y verduras de todo tipo y color. 5. Comer variedad de carnes rojas y blancas, retirando la grasa. 6. Preparar las comidas con aceite vegetal preferentemente crudo y evitar la grasa para cocinar. 7. Disminuir el consumo de sal y azúcar. 8. Tomar abundante cantidad de agua potable durante el día. 9. Disminuir el consumo de bebidas alcohólicas y evitarlo en niños, adolescentes y embarazadas. 10. Aprovechar el momento de la comida para el encuentro y diálogo con otros. Fuente: AADYND, Guías alimentarias para la población argentina, noviembre 2000 ¡tengo que llegar rápido al cole! Cuántas veces nos pasa, que por quedarnos un ratito más remoloneando, nos levantamos apurados y con el tiempo justo para llegar a horario al colegio o a otra actividad y no desayunamos. Esto es un mal hábito, ya que el desayuno es indispensable para comenzar las actividades del día. El desayuno, luego de varias horas de no consumir alimentos, es la primera comida que nos aportará la energía necesaria para comenzar las tareas del día. Un buen desayuno debe estar integrado por lácteos, frutas frescas o sus jugos, cereales o pan y dulces. A lo largo del día, sabemos que tienen varias actividades que realizar, corriendo desde un lugar a otro. Por esto les recomendamos que entre sus comidas, siempre tengan a mano alguna barrita de cereal, tomen licuados de frutas, yogurt o frutas. Están atravesando una etapa de crecimiento en la cual su cuerpo necesita muchos nutrientes. 1 1 Actividades Formen un grupo de trabajo para seleccionar una de las siguientes enfermedades y realizar las actividades: bulimia, anorexia, obesidad. a) Elaboren un trabajo escrito que explique de qué se trata la enfermedad. b) Busquen en la publicidad gráfica o televisiva, mensajes que puedan influir en el adolescente en la alimentación, publicidades donde se promocionan determinados tipos de comidas y bebidas, sus formas de consumirlas, publicidades que reflejen la necesidad de mostrar cierta imagen corporal que es la más aceptada socialmente, vestimentas que se ponen de moda y tienden a unificar sin importar las diferencias personales. c) Existen otras enfermedades en las que hay una alteración orgánica que las origina, tales como la diabetes y la enfermedad celíaca. Investiguen cuál es esa alteración y su tratamiento. ¿Qué diferencias encuentran con respecto a las enfermedades que investigaron en los puntos anteriores? 209 11 El cuerpo humano como sistema ¿Querés saber cómo te alimentás? Auto Test: ¡Evaluá tu alimentación! ¿Cuántas veces por semana...? A Casi siempre 7 a 5 días B A veces 4 a 3 días C Ocasionalmente 2 o menos días A Casi siempre 7 a 5 días B A veces 4 a 3 días C Ocasionalmente 2 o menos días Pregunta número Respuesta / Puntaje A B C 5 2 0 5 2 0 5 2 0 5 2 0 5 2 0 5 2 0 5 2 0 5 2 0 5 2 0 5 2 0 0 1 5 0 1 5 0 1 5 5 0 5 0 5 0 0 5 0 5 0 10 1 - Desayunás 2 - Almorzás 3 - Merendás 4 - Cenás ¿Cuántos días por semana...? 5 - Leche, yogur o quesos 6 - Carnes (de vaca, pollo, cerdo, pescado, etc.) 7 - Verduras 8 - Frutas 9 - Pastas, arroz, masa de tarta, empanadas, pizza, polenta, lentejas, arvejas, porotos, pan, galletitas 10 - Aceites, matneca 11 - Papas fritas, chizitos, palitos, snacks 12 - Golosinas (caramelos, chocolates, alfajores) 13 - Gaseosas y/o jugos para preparar 14 - ¿Tomás agua antes de realizar actividad física? A: SÍ B: NO 15 - ¿Tomás agua durante y/o después de realizar la actividad física? A: SÍ B: NO 16 - ¿Esperás una hora luego de comer para realizar actividad física? A: SÍ B: NO 17 - ¿Realizás actividad física luego de haber comido? A: SÍ B: NO 18 - ¿Agregás sal a las comidas sin haberlas probado primero? A: SÍ B: NO 19 - Si tomás alcohol, ¿la cantidad es mayor a 2 vasos de cerveza o 1 vaso de vino? A: SÍ B: NO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Puntaje Fuente: Ministerio de Desarrollo Social 210 TOTAL CAPÍTULO 11 Veremos ahora cómo operan los cuatro sistemas relacionados con la función de nutrición: a) Sistema digestivo Consiste en una serie de órganos huecos interconectados que dan lugar al llamado “tubo digestivo”. En este tubo desembocan órganos llamados glándulas anexas encargados de fabricar sustancias que participan del proceso digestivo. Los dos extremos de este tubo son la boca y el ano. Boca Glándulas salivales Cavidad bucal Faringe - Esófago Hígado Estómago Duodeno Vesícula biliar Intestino delgado Páncreas 1 1 Intestino grueso Recto Ano La función de este sistema es la de obtener moléculas simples y pequeñas presentes en los alimentos de modo tal que puedan traspasar las paredes del tubo digestivo e incorporarse a la sangre para ser llevadas a las células de todo el cuerpo. Para esto las grandes moléculas que se ingieren con la comida deben degradarse mediante procesos físicos como la masticación, y procesos químicos en los cuales participan las enzimas digestivas (recuerden que son sustancias que actúan como tijeritas que cortan las moléculas de los alimentos). Estas enzimas son fabricadas en algunos órganos del Vocabulario tubo digestivo y en las glándulas anexas. El proceso digestivo ocurre en cuatro etapas: 1) Ingestión: incorporación de alimento a la cavidad bucal, es la acción de “comer”. 2) Digestión: descomposición de las moléculas ingeridas por procesos físicos como la masticación y los movimientos de los músculos del estómago (digestión mecánica), y reacciones químicas en las que intervienen enzimas digestivas (digestión química), para obtener moléculas más pequeñas. Estas moléculas se llaman nutrientes. Es la etapa más larga, e intervienen varios órganos. Enzimas digestivas: sustancias químicas que posibilitan las reacciones químicas de degradación o descomposición de moléculas complejas del alimento para obtener moléculas pequeñas (simples), denominadas nutrientes. Glándulas: órganos cuya función es la de producir y liberar sustancias que son útiles para el organismo (no confundir glándulas con ganglios). 211 11 El cuerpo humano como sistema 3) Absorción: traspaso de los nutrientes a la sangre a través de estructuras especializadas del intestino delgado llamadas vellosidades intestinales. 4) Eliminación: todos los productos de la digestión que no pasaron a la sangre son enviados al exterior a través del ano. Estos desechos constituyen la materia fecal. Conducen el bolo alimenticio hacia el estómago mediante movimientos de contracción. La faringe tiene dos aberturas: una conduce al esófago y otra hacia la tráquea que pertenece al aparato respiratorio. Cuando se produce la deglución, una especie de “tapita” llamada epiglotis que pertenece al aparato respiratorio, cierra la comunicación con las vías aéreas. Hígado Vesícula biliar Páncreas Recto: almacena la materia fecal hasta el momento de ser eliminada a través del ano Faringe Esófago Boca: una vez ingerido el alimento los dientes lo cortan, desgarran y trituran, las glándulas salivales liberan saliva que contienen enzimas digestivas y la lengua ayuda a mezclarlo, así se forma el bolo alimenticio que es tragado mediante el acto de deglución. La lengua tiene también la función de captar los sabores de los alimentos: dulce, salado, amargo, ácido... Estómago: el alimento permanece en él entre 2 y 6 horas. La entrada y salida del estómago se cierran por medio de dos válvulas hasta que se completa esta fase del proceso digestivo. Allí el bolo alimenticio se mezcla con el jugo gástrico que liberan las paredes estomacales. Este jugo posee enzimas digestivas y liberan un ácido, que colabora en la acción de las enzimas y además mata a la gran mayoría de los gérmenes que pudieron ingerirse con la comida. Los movimientos de las paredes musculares mezclan todo el contenido, y así se forma el quimo, que es un caldo rico en nutrientes. Terminado este proceso, el estómago se va desalojando de a chorritos, poco a poco. Intestino delgado: es el órgano más extenso del tubo digestivo, en el humano tiene 6 metros de longitud. Allí se completa la digestión de los alimentos y luego la absorción. La primera porción (de unos 25 cm), llamada duodeno, completa la digestión química a través de las enzimas que libera el páncreas disueltas en el jugo pancreático, y enzimas que liberan las mismas paredes del duodeno. También interviene un líquido fabricado por el hígado, la bilis, que se almacena en la vesícula biliar hasta el momento de ser liberado, que no tiene enzimas sino que funciona haciendo que las grasas se reduzcan a pequeñas gotitas (como cuando colocamos agua en aceite y agitamos la mezcla). El quimo se transforma ahora en quilo. En la segunda porción del intestino que se divide en yeyuno e ileon, ocurre la absorción de nutrientes. Para que haya más superficie para la absorción y sea más eficaz ese proceso, hay repliegues en las paredes internas llamadas vellosidades. Intestino grueso: en el punto de unión con el intestino delgado posee una bolsita ciega del tamaño de un dedo que es el apéndice, que no cumple una función específica. Todos los nutrientes que no fueron seleccionados para ser absorbidos, se alojan en el intestino grueso o colon y tardan en recorrerlo en su totalidad entre 12 y 24 horas. En este órgano, que mide 1,5 metros, se forma la materia fecal que es un desecho sólido, y para eso debe absorberse toda el agua que contiene el quilo intestinal que es un caldo líquido. También en el colon viven bacterias que colaboran con el proceso de degradación de sustancias y producen como resultado gases, y también algunas vitaminas como la K, y la B, que pasan a la circulación sanguínea para que las células las utilicen. 212 CAPÍTULO 11 Las vellosidades intestinales En el interior de los repliegues del intestino delgado hay vasos sanguíneos de paredes muy finas llamadas capilares. Para visualizar cómo son las vellosidades pueden tomar un trozo de tela y estirarlo sobre una mesa. Luego apoyan las manos en ambos extremos y las juntan arrastrando la tela. Así verán cómo se forman los pliegues. Las moléculas simples resultantes del proceso de digestión, ya tienen el tamaño adecuado para traspasar las paredes del intestino y las de los capilares y son recibidos por el sistema circulatorio, que los transportará al hígado. Este órgano almacenará algunos de esos nutrientes para su propio uso, y redistribuirá los restantes a todas las células del cuerpo a través de la red de vasos sanguíneos. Las grasas, seguirán otro camino: ingresarán al sistema linfático a nivel de las vellosidades y recién entrarán al sistema circulatorio cerca del corazón. Detalle de vellosidades intestinales en las que se realiza el proceso de absorción de nutrientes Intestino delgado Vena hepática: reparte nutrientes a las células del cuerpo 1 1 Interior del intestino delgado Vesícula biliar Hígado: procesa y almacena sustancias Vena porta hepática: transporta hacia el hígado nutrientes absorbidos en el intestino delgado b) El sistema respiratorio Consiste en una serie de conductos que comienzan en la nariz, que poseen, en casi toda su extensión, anillos de cartílago para darles rigidez y evitar que colapsen. A través de ellos circula el aire inhalado hacia dos órganos huecos situados en el pecho, a ambos lados del corazón, llamados pulmones. Allí se realiza la función más importante que es el pasaje de oxígeno a la sangre que lo traslada hacia las células, ya que lo necesitan para hacer un proceso metabólico importantísimo que es la obtención de energía. Este proceso se llama respiración celular. Como resultado de esta transformación, se obtiene otro gas, el dióxido de carbono, que debe ser eliminado ya que es tóxico para el organismo. Para eso hace el recorrido opuesto al del oxígeno: las células lo mandan a la sangre, y esta lo transporta a los pulmones. Una vez allí, se desaloja del cuerpo por los mismos conductos huecos que comunican con la boca y la nariz en una acción llamada exhalación. En conclusión: la acción de la respiración mecánica (inspirar y exhalar), sirve para que las células puedan hacer respiración celular (reacción química de obtención de energía). 213 11 El cuerpo humano como sistema Trabajo de laboratorio Pueden construir el modelo de Funke para demostrar este proceso. Construyan el dispositivo tal como se ve en la foto. Luego completen el cuadro que sigue. INSPIRACIÓN EXHALACIÓN AIRE (Ingresa o sale) PULMONES (Se agrandan o se achican) CAVIDAD TORÁXICA (Se agranda o se achica) DIAFRAGMA (Sube o baja) INHALACIÓN Ingreso de oxígeno (O2) a los pulmones Hematosis (en pulmones) El oxígeno circula en la sangre hacia todas las células Obtención de energía usando oxígeno y glucosa EXHALACIÓN Salida de CO2 desde los pulmones RESPIRACIÓN MECÁNICA (En sistema respiratorio) Necesaria para la RESPIRACIÓN CELULAR (En células del cuerpo) El dióxido de carbono (CO2) sale de las células hacia la sangre 214 CAPÍTULO 11 El proceso respiratorio: Nariz: el aire entra por las fosas nasales y allí se hace más húmedo, se filtran las partículas de polvo, y se calienta. También allí se perciben los olores. Tráquea y bronquios: la tráquea es un conducto único que se ramifica en dos bronquios y lleva el aire a los pulmones Faringe: compartida con el aparato digestivo, envía el aire a la laringe, mientras la epiglotis esté abierta Es el único conducto que no tiene cartílagos. Laringe: se inicia con la epiglotis y está adaptada para articular sonidos y así emitir la voz. El aire al ser exhalado mueve unas membranas llamadas cuerdas vocales y las hace vibrar de diferentes modos tensándolas más o menos. Así se logran los sonidos agudos o graves. Pulmones: dentro de ellos se ramifican los bronquios en con- ductos más pequeños llamados bronquiolos. Cada bronquiolo finaliza en una serie de compartimentos con forma de globos llamados alvéolos. Cada alvéolo es hueco pero sus paredes están tapizadas de finísimos vasos sanguíneos. Allí se produce el intercambio gaseoso: el alvéolo le entrega el oxígeno a la sangre, mientras que por la sangre llega el dióxido de carbono que es cedido al alvéolo para salir al exterior por la exhalación. Este intercambio se denomina hematosis. El aire ingresa con alto contenido de oxígeno al inhalar 1 1 ¿Sabías que...? El aire sale con alto contenido de dióxido de carbono al exhalar Bronquiolo La sangre sale oxigenada desde el alvéolo e ingresa al corazón por la vena pulmonar La sangre llega al alvéolo desde el corazón con alto contenido de dióxido de carbono a través de la arteria pulmonar Interior del alvéólo pulmonar. Allí se realiza la hematosis que consiste en el ingreso de oxígeno desde el alvéolo hacia los capilares y la salida de dióxido de carbono desde los capilares hacia el alvéolo ¿El aire es solo oxígeno? El aire que inhalamos no solo está compuesto por oxígeno. En realidad, el componente mayoritario es el gas nitrógeno (78 %), y también contiene entre 0 y 7 % de vapor de agua y un 1 % de dióxido de carbono, gas hidrógeno y otros gases. El gas oxígeno (O2), solo forma parte del 21 % del aire que ingresa al cuerpo. Cuando exhalamos, la composición del aire cambia, ya que contiene una gran cantidad de dióxido de carbono que despiden las células como residuo del proceso de obtención de energía, y por el contrario, disminuye notablemente la proporción de oxígeno, porque este queda retenido en los alvéolos pulmonares para pasar a la sangre. 215 11 El cuerpo humano como sistema c) El sistema excretor Está formado por dos órganos muy importantes, los riñones, situados en el abdomen a la altura de la cintura a ambos lados de la columna vertebral. Estos actúan como verdaderos filtros, ya que a través de ellos pasa toda la sangre del circuito circulatorio y quedan retenidas todas las sustancias que las células eliminan hacia la sangre como productos de desecho de sus reacciones metabólicas. También quedan en los riñones sustancias que están en exceso como el agua y las sales minerales, de esta manera se logra el equilibrio del agua que retiene el cuerpo impidiendo que este se deshidrate o se hidrate en exceso y se hinche. También los riñones cumplen un rol importante en la eliminación de otras sustancias como las que componen a los medicamentos. Todo lo filtrado en los riñones conforma la orina, desecho líquido que se desaloja del cuerpo por medio de conductos especiales diferentes a los que sirven para evacuar la materia fecal. SISTEMA DIGESTIVO Alimento no absorbido Células del cuerpo Nutrientes Alimento Materia fecal Materias primas Metabolismo Sustancias útiles Oxígeno SISTEMA RESPIRATORIO Desechos celulares CO2 Orina Cómo se forma la orina: DETALLE DEL NEFRÓN SISTEMA EXCRETOR Riñones: están formados aproxima- NEFRÓN Vaso sanguíneo que llega a cada nefrón Glomérulo: en su interior hay capilares sanguíneos que filtran la sangre hacia el nefrón Uréteres: son dos conductos delgados y musculares que conducen la orina desde los riñones hacia la vejiga. damente por un millón de unidades filtrantes muy pequeñas llamadas nefrones. Cada nefrón tiene aspecto de “viborita” muy retorcida y está en contacto con vasos sanguíneos muy finos y fáciles de traspasar. La sangre que circula por esos vasos, por medio del proceso de filtración, va volcando hacia cada nefrón los desechos y el agua y sales que estén en exceso. Luego el circuito circulatorio sigue, pero la sangre queda “limpia” una vez que pasó por los riñones. Vejiga: es un depósito de orina, semejante a una bolsa con paredes musculares que se va agrandando a medida que se llena. Tiene una válvula muscular que la mantiene cerrada para impedir que se vacíe, hasta el momento de orinar. Uretra: es un conducto que conecta la vejiga con Nefrón Túbulo colector de orina 216 el exterior. En el caso del hombre, este conducto está compartido con el aparato reproductor, de modo tal que por él salen también las células reproductoras (¡por supuesto nunca se mezclan con la orina!). En la mujer, en cambio, la uretra tiene solo función excretora. CAPÍTULO 11 ¿Sabías que...? ¿Para curarnos rápido hay que tomar mucho líquido? Les habrá llamado la atención que cuando se enferman el doctor a veces les receta un medicamento y recomienda tomar mucho líquido. Esto es así porque el tomar mucho líquido estimula la rápida formación de orina, lo cual es bueno para desalojar del organismo los restos del medicamento, y también las sustancias tóxicas (toxinas) que muchos microbios productores de enfermedades vuelcan en la sangre. De este modo el cuerpo puede lograr una rápida curación. d) El sistema circulatorio Está constituido por una red cerrada de conductos llamados vasos sanguíneos, que transportan un líquido rojo: la sangre. Para hacer posible la circulación sanguínea hay una bomba impulsora que es el corazón. Así se logra la fuerza suficiente para que la sangre llegue a cada uno de los órganos del cuerpo (recordemos que todos están irrigados). Se estima que la sangre tarda solo unos 30 segundos en hacer el recorrido completo hasta volver al corazón. Este sistema tan eficiente de transporte cumple varias funciones: 1 1 La función principal se relaciona con la nutrición. Consiste en hacer llegar a las células del cuerpo los nutrientes provenientes del sistema digestivo y el oxígeno que ingresó por pulmones, para que ellas obtengan energía y para que construyan sus propias moléculas. También desalojan los desechos resultantes de esos procesos y los conducen hacia los riñones. Por otro lado el sistema circulatorio colabora con otros sistemas. Transporta hormonas, que son sustancias que envían señales entre órganos que forman parte del sistema endocrino. Transporta anticuerpos, lo que conocemos como “defensas”, moléculas que nos protegen contra enfermedades que son elementos del sistema inmunitario. Transporta todos los elementos necesarios para reparar los vasos sanguíneos que se rompen y producen hemorragia (salida de sangre por la herida). Mediante el proceso de coagulación, se forma un tapón en el vaso sanguíneo dañado hasta que se repara definitivamente. SISTEMA DIGESTIVO Nutrientes Células del cuerpo Materias primas Metabolismo Sustancias útiles Oxígeno SISTEMA RESPIRATORIO Transferidos por SISTEMA CIRCULATORIO Desechos celulares SISTEMA EXCRETOR Orina 217 11 El cuerpo humano como sistema La sangre, un tejido líquido El líquido que circula, en el cual también viajan todos los elementos que acabamos de mencionar, es la sangre. La sangre no es un órgano y tampoco es una mezcla de sustancias químicas. Es un tejido, es decir que tiene componentes vivos que son las células. Ellas están inmersas en un medio líquido constituido esencialmente por agua llamado plasma. La composición de la sangre Plasma: es el 55 % de la sangre. Está formado por agua y moléculas disueltas como nutrientes, hormonas, “defensas”, etc. Función: contiene los elementos celulares y transporta las moléculas disueltas hacia y desde las células. Glóbulos rojos o eritrocitos: hay 5 millones por cada mm3 de sangre. Son células con forma de disco achatado, sin núcleo. Función: transporte de oxígeno y dióxido de carbono. Glóbulos blancos o leucocitos: hay 5.000 a 10.000 por mm 3. Son células de mayor tamaño que los glóbulos rojos, con núcleos de variadas formas. Función: es elaborar anticuerpos (defensas) contra las enfermedades. Plaquetas o trombocitos: hay entre 250.000 y 300.000 por mm3- Son “trozos” de células, no tienen núcleo Función: participan del proceso de coagulación. Actividades ¿Qué aspecto tienen los glóbulos? Lean la historieta e investiguen un poco más sobre las características de las células de la sangre para poder descubrir de qué células sanguíneas está hablando Clemente. 218 CAPÍTULO 11 Las “autopistas” que recorren nuestro cuerpo Podemos imaginar que nuestro cuerpo es una inmensa ciudad, en la cual las casas y edificios representan órganos, y el circuito circulatorio está representado por las autopistas, avenidas, calles y senderos. Si estamos en la zona céntrica de una ciudad y queremos dirigirnos hacia una casa muy alejada, podemos hacerlo tomando una autopista, para bajar luego en una calle o avenida, y tomando callejones o senderos pequeños podemos llegar a nuestro destino. Si alguna vez utilizaron un GPS habrán podido visualizar el trazado del recorrido completo para llegar a un lugar determinado. No hay casa que no tenga una vía de acceso; del mismo modo, hay grandes vasos sanguíneos, de paredes gruesas, que se comunican con el corazón (la parte central del sistema circulatorio) que son las venas y arterias. Las venas llegan a las aurículas y las arterias salen de los ventrículos. Estos conductos se van ramificando en vasos cada vez más pequeños hasta llegar a ser finísimos como cabellos en cuanto a su grosor (de ahí deriva el nombre de “capilares”), para recorrer e irrigar absolutamente todos los órganos del cuerpo y las células que los constituyen. Los capilares son vasos sanguíneos especialmente útiles ya que por ser tan finos llegan a todos los rincones del organismo. Sus paredes son delgadísimas por lo cual pueden ser traspasadas fácilmente para hacer los intercambios necesarios entre la sangre y las células. 1 1 El corazón es un órgano muscular que posee cuatro cavidades: dos aurículas pequeñas y debajo de ellas dos ventrículos grandes y de gruesas paredes Sangre con dióxido de Carbono Sangre con oxígeno Arteria aorta (sale del ventrículo izquierdo) Venas pulmonares (llegan a la aurícula izquierda) Aurícula derecha Arteria pulmonar (sale del ventrículo derecho) Venas cavas (llegan a la aurícula derecha) Aurícula izquierda Ventrículo derecho Válvulas que comunican las aurículas con los ventrículos Ventrículo izquierdo 219 11 El cuerpo humano como sistema El recorrido de la sangre, paso a paso Este circuito tiene forma de “ocho”, es decir que es así: 8. El punto en el que se cruza la trayectoria es el lugar en el que se ubica el corazón. Esto significa que la sangre pasa dos veces por esta “estación de bombeo”, y así se conforman dos circuitos: Circuito menor: - corazón - órganos del cuerpo - corazón Circuito mayor: - corazón - pulmones - corazón La sangre llega desde todas las células del cuerpo hacia el corazón por medio de la vena cava. Esta sangre transporta dióxido de carbono y otros desechos celulares, e ingresa por el lado derecho del corazón. Recorre la aurícula derecha y pasa al ventrículo derecho. La sangre es bombeada y sale por la arteria pulmonar hacia los pulmones. En los alvéolos se produce la hematosis (se incorpora oxígeno a la sangre, y es desalojado el dióxido de carbono). El circuito se completa por medio de una vena (vena pulmonar), que colecta la sangre de los pulmones rica en oxígeno y la devuelve al corazón, en el cual ingresa a través de la aurícula izquierda. 220 Una vez adentro del corazón, la sangre traspasa la aurícula izquierda y el ventrículo izquierdo. Esta cavidad con sus gruesas paredes musculares la bombea con gran presión por la arteria aorta para iniciar un circuito de recorrido más largo, ya que deberá llegar a cada órgano del cuerpo (¡desde el dedo gordo del pie hasta el cerebro mismo!). En cada célula se deposita el oxígeno y se colecta el dióxido de carbono. Durante este circuito la sangre pasa también por el intestino delgado desde el cual se incorporan los nutrientes absorbidos durante la digestión, que también se reparten a todas las células. En otro punto de este mismo circuito la sangre pasa por el filtro que ejercen los riñones donde quedan retenidos los desechos celulares y sustancias que están en exceso, como puede ser el agua y las sales. Una vez completado todo el recorrido, la sangre retorna al corazón e ingresa a través de venas a la aurícula derecha. CAPÍTULO 11 Lectura Cuando el corazón deja de funcionar: primeros auxilios Una situación muy seria que requiere ayuda in30 compresiones mediata de personal especializado es la del paro cardíaco. Sin embargo, con un poco de entrena2 ventilaciones miento cualquier persona puede realizar unas maniobras que resultan muy eficaces para preservar la vida del paciente cuyo objetivo es sostener las funciones vitales por medios externos hasta que la emergencia llegue al lugar, ya que las células del cerebro solo viven alrededor de tres minutos sin oxígeno.Cuando una persona se toma el pecho, hace gesto de dolor muy intenso y cae al piso, lo más probable que ocurra es que se haya detenido su corazón. Esto puede estar acompañado también de un paro respiratorio, es decir, la persona no realiza inhalaciones y exhalaciones y su pecho no se mueve. Si alguien decide colaborar debe actuar rápidamente. Deberá seguir los siguientes pasos manteniendo la calma y verificando antes que el lugar en el que va a asistir a la víctima sea seguro: 1 1 a) Identificar a una persona del público y pedirle que llame al servicio de emergencia del lugar (si es vía pública o un lugar privado siempre existe servicio de emergencia), y que luego avise si logró comunicarse para activar la emergencia. b) Colocar la frente de la víctima hacia atrás y el mentón hacia arriba para abrir las vías respiratorias. c) Comprobar si respira mirando si se mueve el pecho, arrimar el oído a su boca para escuchar si respira. d) Si no hay respiración o si el resultado es dudoso, se debe comenzar a hacer RESUCITACIÓN CARDIO PULMONAR (sin interrumpirla hasta la llegada de la emergencia) que consiste en: • Ventilación boca a boca: tapando la nariz con el pulgar y el índice con una mano y manteniendo a la vez la frente hacia atrás, se abre la boca con la mano libre y se cubre la boca de la víctima con la boca de quien realiza el auxilio. Se realizan dos respiraciones sobre la víctima de 1 segundo cada una. Verificar que el tórax se eleva al recibir el aire. • A continuación realizar 30 compresiones con el talón de ambas manos juntos y apoyados sobre el esternón (hueso que une las costillas por delante del corazón), manteniendo los brazos estirados y cargando el peso corporal sobre el cuerpo del paciente en cada compresión. El ritmo de compresiones se logra contando “uno Y dos Y tres Y cuatro...” El total de compresiones es de 100 por minuto. Fuente: Cruz Roja Argentina; Primeros auxilios para todos, Editorial Aguilar. Buenos Aires, 2007 221 11 El cuerpo humano como sistema Función de defensa a) El sistema linfático Vasos linfáticos Es un sistema de transporte cuyos vasos conductores, los vasos linfáticos, se asemejan mucho a las venas porque tienen válvulas internas que ayudan a que el líquido circule. A diferencia del sistema circulatorio, el circuito linfático no es continuo y cerrado. Los vasos linfáticos transportan linfa, un líquido incoloro que recibe el líquido disperso entre los tejidos, y también las grasas que se absorben en el intestino delgado. El sistema linfático se conecta con el circulatorio muy cerca del corazón. A lo largo de su recorrido hay ganglios linfáticos que contienen glóbulos blancos. Estos se multiplican cuando hay una infección localizada para combatir a los agentes extraños y como consecuencia los ganglios se agrandan y causan dolor. Se da este proceso por ejemplo, cuando tenemos angina y se inflaman los ganglios que están en el cuello. b) El sistema inmunitario Ganglios linfáticos El organismo constituye un sistema abierto, por lo cual así como ingresan a él sustancias útiles también pueden penetrar agentes extraños tales como virus, bacterias o sustancias tóxicas. El sistema inmunitario tiene como misión detectar y destruir todo elemento ajeno al cuerpo, así como células propias que se hayan vuelto anormales como por ejemplo las cancerosas. Desde que nacemos tenemos formas de defendernos contra agentes patógenos (que generan enfermedades). Esta inmunidad innata opera de dos formas: mediante defensas externas (la piel, las mucosas como las que revisten la boca o nariz, y las secreciones como las lágrimas o el sudor) o defensas internas (por ejemplo el mecanismo inflamatorio). La acción de estas defensas es variada. La piel y mucosas son simplemente una barrera que impide el ingreso de agentes extraños. El mecanismo inflamatorio, en cambio, se “dispara”: por ejemplo, frente a una herida, la zona se pone caliente, colorada e hinchada, y esto se debe a que se agrandan los vasos sanguíneos y salen de ellos los glóbulos blancos para atacar a cualquier microbio que pudiera haber ingresado a través de la lesión. Sistema linfático 222 Hay otro tipo de defensas más sofisticadas, son las que se ejercen por medio de la inmunidad adquirida, es CAPÍTULO decir que no se poseen desde el nacimiento, sino a lo largo de la vida y a medida que el individuo se expone a los diferentes agentes extraños. Los responsables de esta forma de defensa son los glóbulos blancos: algunos de ellos elaboran anticuerpos, que son moléculas que reconocen a cada agente extraño y lo neutralizan. Por ejemplo: una persona tuvo hepatitis A. Durante la enfermedad sus glóbulos blancos elaboraron anticuerpos. Estos anticuerpos permanecen en la sangre y si en el futuro ese individuo se contagia nuevamente el virus, los anticuerpos lo reconocerán inmediatamente y lo desactivarán sin llegar a que se manifieste nuevamente la enfermedad. Otros glóbulos blancos simplemente se “comen” a los agentes invasores: emiten prolongaciones de sus membranas celulares y engloban a los microbios y los degradan en su interior. Para realizar estas funciones tan importantes, los glóbulos blancos necesitan desplazarse por todo el cuerpo para acudir al lugar en el que se encuentren microbios; por esa razón estas células “sanadoras” se transportan por el sistema circulatorio y el linfático. 11 Glóbulo blanco englobando a un glóbulo rojo que ya envejeció Ganglios linfáticos Timo Hígado 1 1 Bazo INMUNIDAD Desde el nacimiento Adquirida por exposición a agentes patógenos Apéndice Defensas externas Defensas internas Mecanismo • Piel • Transpiración inflamatorio y grasitud Anticuerpos fabricados por glóbulos blancos y liberdos en sangre Barrera específica Placas de Peyer en intestinoo delgado Englobamiento (fagocitosis) de microbios y destrucción dentro de los glóbulos blancos Médula ósea Vasos linfáticos Barreras no específicas Sistema inmunitario 223 11 El cuerpo humano como sistema Función de coordinación, control y movimiento a) El sistema nervioso Ya mencionamos que es el sistema coordinador por excelencia, el “director de orquesta”, y por ello cumple múltiples funciones: Permite captar estímulos provenientes del exterior (captados a través de los órganos de los sentidos: tacto, vista, olfato, oído, gusto). Nervios craneales Cerebro Cerebelo Tronco encefálico SISTEMA NERVIOSO PERIFÉRICO Médula espinal (dentro de la columna vertebral) Nervios raquídeos Sistema nervioso 224 Encéfalo (dentro del cráneo) SISTEMA NERVIOSO CENTRAL Permite también captar estímulos provenientes de los órganos internos, lo cual posibilita detectar: a) variaciones en el nivel de agua y calor que retiene el cuerpo; b) modificaciones en la concentración de nutrientes como la glucosa y el oxígeno en sangre; c) variaciones en la concentración de ciertas hormonas en sangre; d) variaciones en nuestra postura e) la percepción del propio cuerpo. Hace posible desarrollar funciones complejas como el pensamiento abstracto y la memoria. Gracias a esto un individuo puede aprender, percibir los hechos de la realidad, razonar y prever situaciones anticipando sus consecuencias y así planificar acciones a futuro. El humano primitivo pudo desarrollar un lenguaje hablado y escrito muy rico y variado, pilar fundamental de la cultura, y adquirió una gran habilidad en el manejo de herramientas con sus manos. El ser humano es mucho más que un ser biológico. Es “persona”, gracias a estas capacidades únicas que ningún otro ser vivo ha desarrollado. Permite dar respuesta a los estímulos de dos maneras: a) a través de respuestas motoras, las que se llevan a cabo mediante movimientos corporales o desplazamientos. Para esto envía órdenes a los músculos del cuerpo (sistema ósteo-artro-muscular). Algunas de estas respuestas son voluntarias, es decir, el individuo es consciente de la respuesta que dará frente a un estímulo determinado. Por ejemplo, en este momento se cansaron de leer, deciden cerrar el libro (esa orden la ejecuta el brazo y la mano), y se levantan para preparar una merienda (en esa acción intervienen las piernas, ya que deben pararse y caminar). Otras respuestas son involuntarias, no las pueden programar, como cuando tocan sin querer la pava en la que hirvieron agua e instantáneamente, CAPÍTULO 11 en forma brusca, retiran la mano. También es involuntario el ruido que hace el estómago cuando tienen hambre, y es producido por los músculos responsables de los movimientos peristálticos. Y por otro lado, las respuestas secretoras que siempre son involuntarias. Aquí interviene el sistema endócrino como ejecutor de las órdenes del “director de orquesta”. Una respuesta secretora consiste en que ciertos órganos reciben la orden de fabricar sustancias químicas y volcarlas a la sangre para que por esa vía lleguen a otros órganos muy específicos en los cuales se producirá un cambio. El ejemplo más evidente es cuando miran una película de terror: aunque saben que les va a dar miedo, no pueden evitar sobresaltarse cuando aparecen las imágenes más espeluznantes. Una red de “cables” recorre nuestro cuerpo: estructura del sistema nervioso Cuando encendemos una luz o la televisión sabemos que estos funcionan porque hay cables que conducen energía eléctrica hasta donde se encuentran conectados. Del mismo modo, nosotros podemos captar y responder a estímulos gracias a un circuito de “cables” llamados nervios, que llegan a cada órgano de nuestro cuerpo. También los nervios conducen señales eléctricas, que constituyen el impulso nervioso y viajan muy velozmente como lo hace la electricidad a través de un cable, a una velocidad media de 33 metros por segundo. Los nervios están conectados a un centro procesador de información, que es el sistema nervioso central. Como está constituido por órganos muy importantes, está protegido dentro del cráneo y de la columna vertebral. 1 1 b) El sistema ósteo artro muscular Este sistema está conformado por el esqueleto, las articulaciones y los músculos. El esqueleto humano está ubicado en el interior del cuerpo y está constituido por 206 huesos de variadas formas (largos como el fémur de la pierna, cortos como las vértebras, o planos como los omóplatos de la espalda). Los huesos son órganos muy curiosos porque tienen aspecto de piedras, objetos sin vida, pero sin embargo están constituidos por células y recorridos por vasos sanguíneos y nervios. Todas las células de la sangre se originan y maduran en su interior. El esqueleto cumple tres funciones: Proteger órganos vitales: el cráneo protege al encéfalo y la columna vertebral a la médula espinal (órganos del sistema nervioso). El tórax es una “jaula” que protege a los pulmones y el corazón. Sostener la estructura corporal: el esqueleto permite que el cuerpo no se derrumbe por su propio peso, sino que conserve su forma y postura. Permitir el movimiento y el desplazamiento: para esta función tan compleja el esqueleto se vale de: Las articulaciones, que son puntos de encuentro entre dos o más huesos. Algunas articulaciones son muy móviles como la del hombro, en la que los huesos que articulan se mantienen en contacto a través de bandas elásticas llamadas ligamentos. Otras son semimóviles o completamente fijas como las del cráneo. Tejido adiposo (grasa) Fémur Cartílagos articulares Rótula (rodilla) Cápsula sinovial Tibia Menisco (cartílago) 225 11 El cuerpo humano como sistema Cráneo Maxilar Vértebra Clavícula Húmero MÚSCULOS ESQUELÉTICOS Esternón Costilla Radio Cresta ilíaca Cúbito Carpo Falanges Sacro Fémur Rótula Peroné Tibia Tarso Falanges Sistema ósteo artro muscular Los músculos: son órganos contráctiles y elásticos. Algunos de ellos se mueven voluntariamente, es decir, nosotros damos a través del cerebro la orden para que se muevan. Son los músculos esqueléticos, que recubren por fuera todos los huesos del cuerpo y se fijan a ellos a través de unas fibras llamadas tendones. En el humano hay unos 600 músculos de este tipo. Existen otros músculos que se mueven solos, sin que nos demos cuenta, y son los que forman parte de los órganos internos como el estómago cuyos músculos se mueven para ayudar a mezclar el alimento. Los huesos, articulaciones y músculos actúan coordinadamente para dar respuestas motoras a las órdenes del sistema nervioso. Si quitáramos la piel que recubre el cuerpo, comprobaríamos que estamos hechos verdaderamente “de carne y hueso”. c) El sistema endócrino Este sistema responde también a las órdenes del sistema nervioso, a través de la secreción de sustancias llamadas hormonas. Las hormonas se fabrican en el interior de las glándulas endócrinas que son órganos especializados en la elaboración de sustancias útiles para el organismo. Estos “mensajeros químicos” se vuelcan a la sangre y a través de ella llegan a otros órganos para desencadenar en ellos una acción determinada. Hay muchas hormonas diferentes, y cada hormona reconoce uno o varios órganos específicos sobre los que debe actuar. En el siguiente esquema se puede ver la ubicación de cada glándula endócrina: Vasos sanguíneos Glándula endócrina Hormona (mensajero químico) Órgano blanco Acción resultante de la señal hormonal Las hormonas son responsables de todos los procesos de crecimiento y desarrollo, como por ejemplo los cambios corporales que se experimentan en la adolescencia. También determinan la madurez sexual, o sea la capacidad de producir óvulos y espermatozoides, que son las células reproductoras femeninas y masculinas. Otras funciones son: regular la cantidad de azúcar en sangre (acción controlada por dos hormonas, una de las cuales es la insulina que les falta a los diabéticos), y el nivel de actividad metabólica de las células. Además mediante la descarga de adrenalina, una de las hormonas más conocidas, se prepara al cuerpo para enfrentar situaciones de peligro o de estrés. 226 CAPÍTULO 11 Hipófisis Tiroides Paratiroides Suprarrenales Páncreas Testículos (glándulas masculinas) Ovarios (glándulas femeninas) 1 1 Sistema endócrino Función de reproducción El sistema reproductor Es el sistema responsable de la generación de nuevos individuos. Esta es una función fundamental para garantizar la continuidad de una especie. En el humano la reproducción es sexual, por medio de dos sexos que se encuentran en individuos diferentes: femenino y masculino. Veamos cómo están constituidos. A pesar de las diferencias estructurales podemos identificar órganos complementarios: los testículos en el varón son los órganos productores de células reproductoras que son los espermatozoides, mientras que en la mujer son los ovarios los generadores de óvulos (células reproductoras femeninas). En el aparato reproductor masculino hay conductos que llevan los espermatozoides al exterior. La última porción es un único conducto que está compartido con el aparato urinario, y que finaliza en un órgano alargado llamado pene que al introducirse en la vagina femenina deposita en su 227 11 El cuerpo humano como sistema interior los espermatozoides. Estas células inmediatamente comienzan un largo viaje hasta llegar al óvulo para fecundarlo y formar la cigota, primera célula del nuevo ser. La fecundación ocurre en las trompas de Falopio que son los conductos que unen los ovarios con el útero. Unos días más tarde, comienza la gestación del hijo dentro del útero, y se forma la placenta que a través del cordón umbilical aporta nutrientes durante su desarrollo. Conducto deferente Ovario (maduración de óvulos) Vejiga (sistema excretor) Próstata Tejido esponjoso Trompa de Falopio (lugar donde se realiza la fecundación) Vesícula seminal Útero (gestación) Escroto Pene Cuello uterino Uretra (sistema excretor y reproductor) Vagina Testículo Aparato reproductor femenino Epidídimo Aparato reproductor masculino Arterias maternas Porción materna de la placenta Placenta Cordón umbilical Lagos sanguíneos maternos Aureola fetal Vénula fetal Cordón umbilical Porción fetal de la placenta (corion) Vellosidad coriónica con capilares fetales Útero Venas maternas Arterias umbilicales Vena umbilical Dentro del útero se encuentra la placenta y el bebé en gestación. La placenta lleva nutrientes hacia el bebé por medio del cordón umbilical. Estos nutrientes llegan desde el aparato circulatorio de la madre que tiene comunicación con la placenta 228 CAPÍTULO 11 Actividades Acción coordinada entre diferentes aparatos y sistemas Identificar y nombrar el/los sistema/s que se relacionan para llevar a cabo las siguientes acciones. Acción Se enferman de anginas. Se hinchan los ganglios del cuello porque dentro de ellos se reproducen los glóbulos blancos para atacar a los microbios. Están en la clase de educación física y tienen que correr: el corazón late más rápido y respiran agitados para llevar más sangre con oxígeno a los músculos de las piernas ya que necesitan obtener más energía. Por otro lado, el hígado recibe una hormona que le ordena liberar azúcar a la sangre para que vaya a los músculos ya que esta sustancia también es necesaria para la obtención de energía. Comen un pancho, se realiza el proceso de degradación de sus moléculas. En el intestino delgado se absorben todos los nutrientes útiles menos las grasas que se meten en los vasos linfáticos hasta que luego son volcadas en los vasos sanguíneos. Algunas grasas llegarán a las neuronas porque son necesarias para transmitir impulsos eléctricos y otras moléculas viajarán a los ovarios (o testículos) para generar hormonas sexuales. Sistema o sistemas que participan 1 1 Entran al cine a ver una película. Al principio no ven bien por la oscuridad pero en minutos los ojos responden a este cambio gracias a las células que captan estímulos de la retina y se conectan con los nervios ópticos. La película es de terror y de repente una escena los sobresalta: la hormona adrenalina se libera y produce un estado de agitación, se eriza la piel porque se accionan los pequeños músculos que hay en la base de cada pelo, y el corazón late rápidamente, ya que el cuerpo responde como si hubiera un peligro real y tuvieran que escapar corriendo. Para que ocurra esta reacción colaboran también algunos nervios. Se tranquilizan y siguen viendo la película y leyendo los subtítulos. Su cerebro interpreta las situaciones del argumento con lo cual ya se imaginan y pueden predecir cómo será el final. Un amigo les está enseñando a andar en skate. Lograron mantener el equilibrio sobre la tabla con las piernas semiflexionadas y los brazos siempre lejos del cuerpo ayudando para no caer. El cerebelo es quien regula las posturas. Transpiraron mucho, y del encéfalo parte un estímulo que es la sed. Toman mucha agua, pero un rato más tarde el exceso de líquido se eliminará por los riñones en forma de orina. Se hicieron un tatuaje que es una agresión al cuerpo. El contorno de la figura tatuada se puso caliente, colorado e hinchado. El tatuador les dice que es normal que tengan esos síntomas pero unos días más tarde la hinchazón empeora y el médico les receta unas pastillas de antibiótico que deben tomar con la comida ya que el medicamento se absorbe en el intestino, y por la sangre llegará al lugar de la lesión para matar a los microbios que causaron la infección. Tienen hipo, que son contracciones repentinas del músculo diafragma que está en la base de los pulmones. Al subir, este músculo comprime los pulmones y hace salir el aire de golpe. Pensaron un poco e hicieron memoria, y se acordaron que para que cese el hipo tienen que ensanchar el tórax para inhalar mucho aire, y retenerlo en los pulmones un rato y así presionar al diafragma para que no se contraiga más. 229 11 El cuerpo humano como sistema Ser adolescente: la aventura de crecer “Adolescencia: época de desprenderse, crecer y ser” Si se miran al espejo, seguramente van a encontrar algunas cosas de su imagen que fueron cambiando este último tiempo. Pueden probar y hacerlo ahora mismo. Su cuerpo manifiesta una serie de cambios físicos más o menos evidentes que van a culminar en la puesta a punto de la capacidad reproductiva. Este período de cambios físicos se denomina pubertad. Característica Mujeres Varones Forma corporal Delicada y esbelta: la cintura se estrecha y las caderas se ensanchan. Se desarrolla el busto. Menor estatura que en el varón. Mayor desarrollo muscular y robustez: ensanchamiento del tórax y estrechamiento de caderas. Mayor estatura que la mujer. Vello Predomina en axilas y genitales: menos desarrollado en otras partes del cuerpo Aparece la barba: predomina en axilas y genitales y en cantidad variable en otras partes del cuerpo. Voz Más aguda al ser las cuerdas vocales más cortas y la laringe menos desarrollada. Más grave al ser las cuerdas vocales más largas y la laringe más desarrollada. Se visualiza la nuez de Adán al palpar la garganta. Desarrollo reproductivo Maduración de óvulos: primera menstruación Producción de espermatozoides: primera eyaculación Ser adolescente es dejar de ser niño y emprender una búsqueda, en la que en primer lugar tienen que lograr reconocerse en un cuerpo transformado, que experimenta sensaciones nuevas e inquietantes. Un cuerpo de varón o de mujer. Un cuerpo al que tienen que conocer y aprender a respetar, cuidar y a querer tal como es. La gran aventura de crecer consiste en encontrar su propia identidad más allá de la imagen y la sexualidad. Tan importante como eso es su crecimiento emocional y espiritual que implica dejar de lado el mundo de niño y poder tomar de a poco sus propias decisiones, construir nuevos y sanos vínculos más allá del entorno familiar. Explorar el mundo y ganar sus espacios propios es maravilloso, pero nada sencillo. Van a descubrir que ser más libre e independiente requiere que sean más responsables y pensantes antes de tomar decisiones. Para eso siguen contando con el apoyo y el consejo de los adultos que los rodean. El camino de búsqueda es largo y lleno de pruebas y oportunidades, muchos momentos de disfrute y algunos de incertidumbre y frustración. Esa búsqueda culmina cuando logren crear y consolidar esa obra de arte que es su persona única e irrepetible, que encuentre su lugar en el mundo y sea feliz en él. 230 Bibliografía Bibliografía Beers, M. (director editorial); Manual Merck de información médica para el hogar; Barcelona, Editorial Océano, 2003. Biblioteca Visual Clarín. Tomos I, II y III; Buenos Aires, Arte Gráfico Editorial Argentino S.A., 1993. Borches, E.; Corbacho, V.; Squillace, S.; Bahamonde, N.; Bulwik, M.; Rodríguez, M.; Educación alimentaria y nutricional, Libro N°3 Serie Ciencia, Salud y Ciudadanía; Buenos Aires, FAO y Ministerio de Educación y Presidencia de la Nación, 2009. Campbell, N.; Reece, J.; Biología; Madrid, Editorial Médica Panamericana, 2007. 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