Fotosíntesis - generaciongccp

Transcripción

Fotosíntesis - generaciongccp
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Liceo Carmela Carvajal de Prat
Departamento de Biología
Profesor Carlos Núñez Sáez
Fotosíntesis
Las primeras células en la historia de la Tierra pudieron haber sido heterótrofas o bien
autótrofas, pero sin la existencia de los organismos autótrofos la existencia de la vida
hubiera sido imposible.
Es por medio de la fotosíntesis del griego antiguo
φοτο (foto) "luz" y σύνθεσις (síntesis) "unión",
que las plantas verdes son capaces de captar la
energía radiante del sol y transformarla en energía
química. Es por medio de este proceso que la
Tierra se provee de oxígeno y materia orgánica
que será el alimento de todos los seres
heterótrofos.
La materia orgánica comprende los alimentos que
consumimos diariamente tanto nosotros como los
animales, los combustibles fósiles (petróleo, gas,
gasolina, carbón); así como la leña, madera, pulpa
para papel, inclusive la materia prima para la
fabricación de fibras sintéticas, plásticos, poliéster,
etc.
La cantidad de carbono fijado por la fotosíntesis
es espectacular, como lo demuestran las cifras de
la producción anual de materia orgánica seca, estimada en 1,55 x 10 11 toneladas, con
aproximadamente 60% formada en la tierra, el resto en océanos y aguas continentales.
Clorofila
Un pigmento es cualquier sustancia que absorbe
luz. El color de un pigmento es el resultado de la
longitud de onda reflejada (no absorbida). La
clorofila, el pigmento verde de todas las células
fotosintéticas, absorbe todas las longitudes de
onda de la luz visible excepto el verde, el cual es
reflejado y percibido por nuestros ojos. Un
cuerpo negro absorbe todas las longitudes de
onda que recibe. El pigmento blanco o colores
claros reflejan todo o casi todas las longitudes
de onda. Las sustancias coloreadas tienen su
espectro de absorción característico, que es el
patrón de absorción de un pigmento dado.
FORMULA ESCTRUCTURAL DE LA CLOROFILA
La clorofila es una molécula compleja, formada por cuatro anillos pirrólicos, un átomo de
magnesio y una cadena de fitol larga (C20H39OH).
En las plantas y otros organismos fotosintéticos existen diferentes tipos de clorofilas. La
clorofila se encuentra en todos los organismos fotosintéticos (plantas, ciertos protistas,
bacterias clorofiladas y cianobacterias). Los pigmentos accesorios absorben energía que la
clorofila es incapaz de absorber. Los pigmentos accesorios incluyen clorofila (en algas y
protistas las clorofilas c, d y e), xantofila(amarilla) y caroteno, anaranjado ( como el beta
caroteno, un precursor de la vitamina A ). La clorofila absorbe las longitudes de ondas
violeta, azul, anaranjado- rojizo, rojo y pocas radiaciones de las longitudes de onda
intermedias ( verde-amarillo-anaranjado ).
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Estructuras que participan en el proceso fotosintético: La fotosíntesis se realiza en
órganos y tejidos específicos, particularmente en células que tienen cloroplastos. Los
principales órganos fotosintetizadores son las hojas y en segundo lugar, los tallos verdes.
Tronco y raíces participan captando el agua y transportándola a las hojas.
La hoja es el principal órgano fotosintetizador de la planta; su función es captar la
energía luminosa y permitir el intercambio entre el medio externo e interno. Esta función es
realizada por el limbo de la hoja, es decir, su parte ancha y aplanada. Si se hace un corte
transversal en la lámina de la hoja se observan:
1. Organos y tejidos fotosintéticos:
a) La epidermis es el tejido externo,
formado por células sin cloroplastos
que recubren la lámina de la hoja.
Por fuera está cubierta por una
secreción
serosa
denominada
cutícula, que reduce la pérdida de
agua. Recuerda que aquí se
encuentran los estomas, sobre todo
en el envés de la hoja.
b) El mesófilo , está formado por
células con numerosos cloroplastos que lo hacen ser el tejido fotosintético por
excelencia.
Se organiza en dos conjuntos
de células:
- El
parénquima
de
empalizada,
con células expuestas a la
luz y
- El parénquima esponjoso,
con
células
que
dejan
espacios
entre
ellas
favoreciendo la la difusión del
CO2 y el O2.
c) El tejido conductor compuesto
de xilema y floema que se
distribuye en haces vasculares
entre las células del mesófilo y
se
reconocen
como
la
nervadura de la hoja.
A. Corte de una hoja
ESTRUCTURA DEL CLOROPLASTO Y DE LAS MEBRANAS FOTOSINTETICAS
La unidad estructural de la fotosíntesis es el cloroplasto. Los organismos fotosintéticos
procariotes y eucariotes poseen sacos aplanados o vesículas llamadas tilacoides, que
contienen los pigmentos fotosintéticos;
pero solamente los cloroplastos de los
eucariotes están rodeados por una doble
membrana. Los tilacoides se disponen
como una pila de panquecas, que recibe
el nombre de grana. El interior del
cloroplasto entre las granas es el
estroma proteico, donde se encuentran
las enzimas que catalizan la fijación del
CO2 . Las mitocondrias constituyen un
sistema con dos membranas como los
cloroplastos, pero los cloroplastos tienen
tres compartimentos: el estroma, el
espacio tilacoidal y el espacio entre las
membranas. El cloroplasto en su interior
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tiene un ADN circular y ribosomas.
FASES DE LA FOTOSINTESIS
La fotosíntesis es un proceso que ocurre en dos fases:
1) La primera fase se denomina fase fotoquímica" o reacción de Hill, es un proceso que
depende de la luz (reacciones luminosas), requiere la energía directa de la luz que genera
los transportadores que son utilizados en la segunda fase.
En la fase luminosa o fotoquímica, la energía de la luz captada por los pigmentos
fotosintéticos unidos a proteínas y organizados en los denominados "fotosistemas" produce
la descomposición del agua, liberando electrones que circulan a través de moléculas
transportadoras para llegar hasta un aceptor final (NADP+ Nicotinamida adenina
dinucleótido fosfato) capaz de mediar en la transformación del CO2 atmosférico (o disuelto
en el agua en sistemas acuáticos) en materia orgánica. Este proceso luminoso está también
acoplado a la formación de moléculas que funcionan como intercambiadores de energía en
las células (ATP). La formación de ATP es necesaria también para la fijación del CO2.
El CO2 es uno de los menores componentes del aire atmosférico, capaz de reflejar la
radiación de onda larga proveniente de la tierra (el máximo agente reflector de esa
radiación es el vapor de agua). El notable aumento de su concentración a partir de 1850,
debido a la destrucción de las áreas selváticas, la actividad industrial y el uso de
combustibles fósiles podría tener el efecto de incrementar las temperaturas medias, efecto
llamado efecto invernaderos.
2) La fase independiente de la luz se le llama fase de fijación del dióxido de carbono (ciclo
de Calvin) (reacciones de oscuridad), se realiza cuando los productos de las reacciones de
luz son utilizados para formar enlaces covalentes carbono-carbono (C-C), de los
carbohidratos. Las reacciones oscuras pueden realizarse en la oscuridad, con la condición
de que la fuente de energía (ATP) y el poder reductor (NADPH) formados en la luz se
encuentren presentes. Investigaciones recientes sugieren que varias enzimas del ciclo de
Calvin, son activadas por la luz mediante la formación de grupos -SH ; de tal forma que el
termino reacción de oscuridad no es del todo correcto. Las reacciones de oscuridad se
efectúan en el estroma; mientras que las de luz ocurren en los tilacoides.
Factores que afectan al proceso fotosintético
La fotosíntesis realizada en una planta se mide indirectamente por el CO2 consumido o
por el O2 liberado.
La fotosíntesis puede verse afectada por diversos factores, tanto internos como externos o
ambientales.
1. Factores internos:
Se deben principalmente a la estructura de la hoja, es decir, en las hojas influye el grosor
de la cutícula, la epidermis, el número de estomas y los espacios entre las células del
mesófilo. Estos factores influyen directamente en la difusión del CO2 y O2 y también
en la pérdida de agua.
Cuando la actividad fotosintética es alta se produce mucha glucosa, la cual es almacenada
como almidón en los cloroplastos, esto inhibe las reacciones fotosintéticas.
2. Factores externos:
Los principales factores externos que afectan a la fotosíntesis son:
a) La luz: puede afectar la fotosíntesis por tres de sus propiedades: calidad, cantidad y
duración. La luz blanca contiene todo el espectro visible y la calidad de luz necesaria
para estimular los pigmentos fotosintéticos.

La cantidad de luz se refiere a la intensidad luminosa. Cuando ésta aumenta la
fotosíntesis también lo hace, pero si la intensidad de la luz es excesiva esta frena el
proceso fotosintético.

La duración de la luz, es decir las horas de exposición a la luz durante el día, son
también un factor importante para la fotosíntesis. En invierno, por ejemplo, la menor
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cantidad de luz reduce la tasa fotosintética, por lo que las plantas consumen sus
reservas.
b) La disponibilidad de agua: este factor afecta cuando las células fotosintéticas sufren
deficiencias. Corresponde principalmente al agua absorbida por las raíces.
c) La temperatura: es un factor ambiental muy variable; como los anteriores puede variar
durante el día o a lo largo de un año. Los diferentes climas hacen variar la temperatura.
Existen plantas de zonas frías que pueden realizar fotosíntesis a 0ºC y otras adaptadas a
altas temperaturas (como las plantas del desierto o plantas C4) que producen
fotosíntesis entre los 15 y 35º C.
Resuelva los siguientes problemas
. Si una planta es colocada en una atmósfera libre de CO2 y con luz muy brillante
¿continuarían las plantas sus reacciones generando las moléculas energéticas ATP y
NADPH+ en forma indefinida? Explique como llegó a su conclusión.
2. Si Ud. tiene una planta a la cual se está aplicando luz blanca y se mide cada cierto
tiempo, en forma experimental, la cantidad de Oxígeno fotosintético producido. ¿Qué
sucedería si se colocan diferentes filtros ( rojos , verdes y azules) entre la fuente luminosa y
las hojas . Explique y fundamente su respuesta
.
3. Si Ud. es llamado por la Comisión Nacional del Medio Ambiente (CONAMA) , para
explicar por qué es necesario continuar apoyando un proyecto sobre investigaciones a
cerca de la fotosíntesis, centrada en el descubrimiento de un producto enzimático que
acelere las reacciones para producir hidratos de carbono y oxígeno. ¿Cómo justificaría este
proyecto? ¿Cuáles serían los beneficios potenciales de dicha investigación?
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Flujo de la Materia y Energía en el Ecosistema
Papel de los Organismos
Los organismos pueden ser productores o consumidores en cuanto al flujo de energía a
través de un ecosistema. Los productores convierten la energía ambiental en enlaces de
carbono, como los encontrados en el azúcar glucosa. Los ejemplos más destacados de
productores son las plantas; ellas usan, por medio de la fotosíntesis, la energía de la luz
solar para convertir el dióxido de carbono en glucosa (u otro azúcar). Las algas y las
cianobacterias también son productores fotosintetizadores, como las plantas. Otros
productores son las bacterias que viven en algunas profundidades oceánicas. Estas
bacterias toman la energía de productos químicos provenientes del interior de la Tierra y
con ella producen azúcares. Otras bacterias que viven bajo tierra también pueden producir
azúcares usando la energía de sustancias inorgánicas. Otro término para productores es
autótrofo.
Los consumidores obtienen su energía de los enlaces de carbono originados por los
productores. Otro término para un consumidor es heterótrofo. Es posible distinguir 4 tipos
de heterótrofos en base a lo que comen:
Nivel trófico
Consumidor
1. Herbívoros
primario
2. Carnívoros
secundario o superior
3. Omnívoros
todos los niveles
4. Detritívoros
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Fuente alimenticia
plantas
animales
plantas y animales
detrito
El nivel trófico se refiere a la posición de los organismos en la cadena alimenticia,
estando los autótrofos en la base. Un organismo que se alimente de autótrofos es llamado
herbívoro o consumidor primario; uno que coma herbívoros es un carnívoro o consumidor
secundario. Un carnívoro que coma carnívoros que se alimentan de herbívoros es un
consumidor terciario, y así sucesivamente.
Es importante observar que muchos animales no tienen dietas especializadas. Los
omnívoros (como los humanos) comen tanto animales como plantas. Igualmente, los
carnívoros (excepto algunos muy especializados) no limitan su dieta sólo a organismos de
un nivel trófico. Las ranas y sapos, por ejemplo, no discriminan entre insectos herbívoros y
carnívoros; si es del tamaño adecuado y se encuentra a una distancia apropiada, la rana lo
capturará para comérselo sin que importe el nivel trófico.
Flujo de Energía a través del Ecosistema
El diagrama muestra como la
energía (flechas oscuras) y
los nutrientes inorgánicos
(flechas claras) fluyen a través
del ecosistema. Debemos,
primeramente, aclarar algunos
conceptos. La energía "fluye"
a través del ecosistema como
enlaces
carbono-carbono.
Cuando ocurre respiración,
los enlaces carbono-carbono
se rompen y el carbono se
combina con el oxígeno para
formar dióxido de carbono
(CO2). Este proceso libera
energía, la que es usada por
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el organismo (para mover sus músculos, digerir alimento, excretar desechos, pensar, etc.) o
perdida en forma de calor. Las flechas oscuras en el diagrama representa el movimiento de
esta energía. Observe que toda la energía proviene del sol, y que el destino final de toda la
energía es perderse en forma de calor. ¡La energía no se recicla en los ecosistemas!
Los nutrientes inorgánicos son el otro componente mostrado en el diagrama. Ellos son
inorgánicos debido a que no contienen uniones carbono-carbono. Algunos de estos
nutrientes inorgánicos son el fósforo en sus dientes, huesos y membranas celulares; el
nitrógeno en sus aminoácidos (las piezas básicas de las proteínas); y el hierro en su sangre
(para nombrar solamente unos pocos nutrientes inorgánicos). El flujo de los nutrientes se
representa con flechas claras. Observe que los autótrofos obtienen estos nutrientes
inorgánicos del 'almacén' de nutrientes inorgánicos (usualmente el suelo o el agua que
rodea la planta). Estos nutrientes inorgánicos son pasados de organismo a organismo
cuando uno es consumido por otro. Al final, todos los organismos mueren y se convierten
en detrito, alimento para los descomponedores. En esta etapa, la energía restante es
extraída (y perdida como calor) y los nutrientes inorgánicos son regresados al suelo o agua
para se utilizados de nuevo. Los nutrientes inorgánicos son reciclados, la energía no.
Para resumir: En el flujo de energía y de nutrientes inorgánicos, es posible hacer
algunas generalizaciones:
1. La fuente primaria (en la mayoría de los ecosistemas) de energía es el sol.
2. El destino final de la energía en los ecosistemas es perderse como calor.
3. La energía y los nutrientes pasan de un organismo a otro a través de la cadena
alimenticia a medida que un organismo se come a otro.
4. Los descomponedores extraen la energía que permanece en los restos de los
organismos.
5. Los nutrientes inorgánicos son reciclados pero la energía no.
Flujo de Energía y Cadena Trófica
Cadenas y Redes Alimenticias
Una cadena alimenticia es la ruta del alimento desde un consumidor final dado hasta el
productor. Por ejemplo, una cadena alimenticia típica en un ecosistema de campo pudiera
ser:
Pasto ---> saltamontes --> ratón ---> culebra ---> halcón
Aún cuando se dijo que la cadena alimenticia es del consumidor final al productor, se
acostumbra representar al productor a la izquierda (o abajo) y al consumidor final a la
derecha (o arriba). Ud. debe ser capaz de analizar la anterior cadena alimenticia e
identificar los autótrofos y los heterótrofos, y clasificarlos como herbívoro, carnívoro, etc.
Igualmente, debe reconocer que el halcón es un consumidor cuaternario.
En una red trófica las flechas indican quién se come a quién o el sentido en que fluye la
energía entre los diferentes componentes.
Desde luego, el mundo real es mucho más complicado que una simple cadena
alimenticia. Aún cuando muchos organismos tienen dietas muy especializadas (como es el
caso de los osos hormigueros), en la mayoría no sucede así. Los halcones no limitan sus
dietas a culebras, las culebras comen otras cosas aparte de ratones, los ratones comen
yerbas además de saltamontes, etc. Una representación más realista de quien come a
quien se llama red alimenticia, como se muestra a continuación:
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Solamente cuando vemos una representación de una red alimenticia como la anterior, es
que la definición dada arriba de
cadena
alimenticia
tiene
sentido. Podemos ver que una
red alimenticia consiste de
cadenas
alimenticias
interrelacionadas, y la única
manera de desenredar las
cadenas es de seguir el curso
de una cadena hacia atrás
hasta llegar a la fuente.
La red alimenticia anterior
consiste
de
cadenas
alimenticias de pastoreo ya que
en la base se encuentran
productores
que
son
consumidos por herbívoros. Aún cuando este tipo de cadenas es importante, en la
naturaleza son más comunes las cadenas alimenticias con base en los detritos en las
cuales se encuentran descomponedores en la base.
Pirámides Ecológicas
Son formas de representación de las relaciones tróficas, que permiten analizar el flujo de
energía dentro de una cadena.
Se reconocen tres tipos de pirámides:
a) Pirámides de número: Muestra la
cantidad de organismos que existen en
cada nivel trófico en un ecosistema
particular. El área de la pirámide informa
sobre la cantidad de organismos que posee
cada nivel.
b) Pirámides de biomasa: Representa la
cantidad de masa viva que existe en cada
nivel trófico de una cadena. Es otra forma
de
representar
las
transferencias
energéticas que ocurren en la comunidad.
Indica la cantidad de energía que hay en
cada nivel
c) Pirámides de energía: Este tipo de representación expresa directamente la cantidad de
energía presente en cada nivel, y por lo tanto, la cantidad que fluye de un nivel a otro.
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Ciclos Biogeoquímicos
Se denomina ciclo biogeoquímico al movimiento de cantidades masivas de carbono,
nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, calcio, sodio, sulfuro, fósforo y otros elementos entre los
componentes vivientes y no vivientes del ambiente (atmósfera y sistemas acuáticos)
mediante una serie de procesos de producción y descomposición.
Un elemento químico o molécula necesario para la vida de un organismo, se llama nutriente
o nutrimento. Los organismos vivos necesitan de 30 a 40 elementos químicos, donde el
número y tipos de estos elementos varía en cada especie.
Los elementos requeridos por los organismos en grandes cantidades se denominan:
1.- Macronutrientes: carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, fósforo, azufre, calcio,
magnesio y potasio. Estos elementos y sus compuestos constituyen el 97% de la masa
del cuerpo humano, y más de 95% de la masa de todos los organismos.
2.- Micronutrientes. Son los 30 ó más elementos requeridos en cantidades pequeñas (hasta
trazas): hierro, cobre, zinc, cloro, yodo, etc.
La mayor parte de las sustancias químicas de la tierra no están en formas útiles para los
organismos. Pero, los elementos y sus compuestos necesarios como nutrientes, son
ciclados continuamente en formas complejas a través de las partes vivas y no vivas de la
biosfera, y convertidos en formas útiles por una combinación de procesos biológicos,
geológicos y químicos.
El ciclo de los nutrientes desde la abiota (en la atmósfera, la hidrosfera y la corteza de la
tierra) hasta la biota, y viceversa, tiene lugar en los ciclos biogeoquímicos (de bio: vida, geo:
en la tierra), ciclos, activados directa o indirectamente por la energía solar, incluyen los del
carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre y del agua (hidrológico). Así, una sustancia
química puede ser parte de un organismo en un momento y parte del ambiente del
organismo en otro momento. Por ejemplo, una molécula de agua ingresada a un vegetal,
puede ser la misma que pasó por el organismo de un dinosaurio hace millones de años.
Gracias a los ciclos biogeoquímicos, los elementos se encuentran disponibles para ser
usados una y otra vez por otros organismos; sin estos ciclos los seres vivos se extinguirían.
El término ciclo biogeoquímicos se deriva del movimiento cíclico de los elementos que
forman los organismos biológicos (bio) y el ambiente geológico (geo) e intervienen en un
cambio químico.
Hay tres tipos de ciclos biogeoquímicos interconectados,
Gaseoso. En el ciclo gaseoso, los nutrientes circulan principalmente entre la
atmósfera y los organismos vivos. En la mayoría de estos ciclos los elementos son
reciclados rápidamente, con frecuencia en horas o días. Los principales ciclos gaseosos
son los del carbono, oxígeno y nitrógeno.
Sedimentario. En el ciclo sedimentario, los nutrientes circulan entre la corteza
terrestre (suelo, rocas y sedimentos), la hidrosfera y los organismos vivos. Los
elementos en este ciclo, generalmente reciclan mucho más lentamente que en el ciclo
atmosférico, porque los elementos son retenidos en las rocas sedimentarias durante
largo tiempo geológico (hasta de decenas a miles de milenios y no tienen una fase
gaseosa). El fósforo y el azufre son dos de los 36 elementos reciclados de esta manera.
Hidrológico. En el ciclo hidrológico, el agua circula entre el océano, el aire, la tierra y
la biota, este ciclo también distribuye el calor solar sobre la superficie del planeta.
El Ciclo del Agua
El agua existe en la Tierra en tres estados: sólido (hielo, nieve), líquido y gas
(vapor de agua). Océanos, ríos, nubes y lluvia están en constante cambio: el
agua de la superficie se evapora, el agua de las nubes precipita, la lluvia se filtra
por la tierra, etc. Sin embargo, la cantidad total de agua en el planeta no
cambia. La circulación y conservación de agua en la Tierra se llama ciclo
hidrológico, o ciclo del agua.
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Cuando
se
formó,
hace
aproximadamente
cuatro mil quinientos
millones de años, la
Tierra ya tenía en su
interior
vapor
de
agua. En un principio,
era una enorme bola
en constante fusión
con
cientos
de
volcanes activos en su
superficie. El magma,
cargado de gases con
vapor
de
agua,
emergió a la superficie
gracias a las constantes erupciones. Luego la Tierra se enfrió, el vapor de agua
se condensó y cayó nuevamente al suelo en forma de lluvia.
El ciclo hidrológico comienza con la evaporación del agua desde la superficie del
océano. A medida que se eleva, el aire humedecido se enfría y el vapor se
transforma en agua: es la condensación. Las gotas se juntan y forman una
nube. Luego, caen por su propio peso: es la precipitación. Si en la atmósfera
hace mucho frío, el agua cae como nieve o granizo. Si es más cálida, caerán
gotas de lluvia.
Una parte del agua que llega a la tierra será aprovechada por los seres vivos;
otra escurrirá por el terreno hasta llegar a un río, un lago o el océano. A este
fenómeno se le conoce como escorrentía. Otro poco del agua se filtrará a través
del suelo, formando capas de agua subterránea. Este proceso es la percolación.
Más tarde o más temprano, toda esta agua volverá nuevamente a la atmósfera,
debido principalmente a la evaporación.
Al evaporarse, el agua deja atrás todos los elementos que la contaminan o la
hacen no apta para beber
(sales
minerales,
químicos, desechos). Por
eso el ciclo del agua nos
entrega un elemento puro.
Pero hay otro proceso que
también purifica el agua, y
es parte del ciclo: la
transpiración
de
las
plantas.
Las raíces de las plantas
absorben el agua, la cual
se desplaza hacia arriba a
través de los tallos o
troncos,
movilizando
consigo a los elementos que necesita la planta para nutrirse. Al llegar a las hojas
y flores, se evapora hacia el aire en forma de vapor de agua. Este fenómeno es
la transpiración.
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Ciclo del carbono
El carbono es el elemento básico en la formación de las moléculas de carbohidratos,
lípidos, proteínas y ácidos nucleicos; pues todas las moléculas orgánicas están formadas
por cadenas de carbonos enlazados entre sí.
Es un elemento químico de número atómico 6 y símbolo C. Es sólido a temperatura
ambiente. Dependiendo de las condiciones de formación, puede encontrarse en la
naturaleza en distintas formas alotrópicas, carbono amorfo y cristalino en forma de grafito o
diamante. Es el pilar básico de la química orgánica. Se conocen cerca de 10 millones de
compuestos de carbono, y forma parte de todos los seres vivos conocidos
La reserva fundamental de carbono, en moléculas de CO 2 que los seres vivos puedan
asimilar, es la atmósfera y la hidrosfera. Este gas está en la atmósfera en una
concentración de más del 0,03% y cada año aproximadamente un 5% de estas reservas de
CO2, se consumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo el anhídrido carbónico
se renueva en la
atmósfera cada 20
años.
La vuelta de CO2 a la
atmósfera se hace
cuando
en
la
respiración los seres
vivos
oxidan
los
alimentos produciendo
CO2. En el conjunto de
la biosfera la mayor
parte de la respiración
la hacen las raíces de
las plantas y los
organismos del suelo y
no,
como
podría
parecer, los animales
más visibles.
Los
seres
vivos
acuáticos toman el
CO2 del agua. La
solubilidad de este gas
en el agua es muy
superior a la de otros
gases, como el O2 o el
N2, porque reacciona
con el agua formando ácido carbónico. En los ecosistemas marinos algunos organismos
convierten parte del CO2 que toman en CaCO3 que necesitan para formar sus conchas,
caparazones o masas rocosas en el caso de los arrecifes.
Cuando estos organismos mueren sus caparazones se depositan en el fondo formando
rocas sedimentarias calizas en el que el C queda retirado del ciclo durante miles y millones
de años. Este carbono volverá lentamente al ciclo cuando se van disolviendo las rocas.
El petróleo, carbón y la materia orgánica acumulados en el suelo son resultado de épocas
en las que se ha devuelto menos CO2 a la atmósfera del que se tomaba. Así apareció el O2
en la atmósfera. Si hoy consumiéramos todos los combustibles fósiles almacenados, el O 2
desaparecería de la atmósfera. Como veremos a causa del ritmo creciente al que estamos
devolviendo CO2 a la atmósfera, por la actividad humana, es motivo para que protejamos al
planeta.
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El ciclo del carbono (CO2) es
la
sucesión
de
transformaciones que sufre el
carbono a lo largo del tiempo.
Es un ciclo biogeoquímico de
gran importancia para la
regulación del clima de la
Tierra, y en él se ven
implicadas actividades básicas
para el sostenimiento de la
vida. El ciclo comprende dos
ciclos que se suceden a
distintas velocidades
Ciclo biológico
Comprende los intercambios de
carbono (CO2) entre los seres vivos y la atmósfera, es decir, la fotosíntesis, proceso
mediante el cual el carbono queda retenido en las plantas y la respiración que lo devuelve a
la atmósfera. Este ciclo es relativamente rápido, estimándose que la renovación del carbono
atmosférico se produce cada 20 años.
Ciclo biogeoquímico
Regula la transferencia de carbono entre la atmósfera y la litosfera (océanos y suelo). El
CO2 atmosférico se disuelve con facilidad en agua, formando ácido carbónico que ataca los
silicatos que constituyen las rocas, resultando iones bicarbonato. Estos iones disueltos en
agua alcanzan el mar, son asimilados por los animales para formar sus tejidos, y tras su
muerte se depositan en los sedimentos. El retorno a la atmósfera se produce en las
erupciones volcánicas tras la fusión de las rocas que lo contienen. Este último ciclo es de
larga duración, al verse implicados los mecanismos geológicos. Además, hay ocasiones en
las que la materia orgánica queda sepultada sin contacto con el oxígeno que la
descomponga, produciéndose así la
fermentación que lo transforma en
carbón, petróleo y gas natural.
Ciclo del nitrógeno
El ciclo del nitrógeno es cada uno
de los procesos biológicos y abióticos
en que se basa el suministro de este
elemento a los seres vivos. Es uno de
los ciclos biogeoquímicos importantes
en que se basa el equilibrio dinámico
de composición de la biosfera.
Efectos
Los seres vivos cuentan con una gran proporción de nitrógeno en su composición
química. Este elemento forma parte estructural de las proteínas y de los ácidos
nucleicos. Éste se encuentra en el aire en grandes cantidades (78% en volumen) pero
en esta forma sólo es accesible a un conjunto muy restringido de formas de vida, como
las cianobacterias y las azotobacteriáceas.
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Los organismos fotoautótrofos (plantas o algas) requieren por lo general nitrato (NO 3–)
como forma de ingresar su nitrógeno; los heterótrofos (p. ej. los animales) necesitan el
nitrógeno ya reducido, en forma de radicales amino, que es como principalmente se
presenta en la materia viva y lo toman formando parte de la composición de distintas
biomoléculas
en
sus alimentos.
Gracias a los
múltiples
procesos
que
conforman
el
ciclo, todos los
tipos metabólicos
de
organismos
ven satisfecha su
necesidad
de
nitrógeno.
Los
autótrofos
reducen
el
nitrógeno
oxidado
que
reciben
como
nitrato (NO3–) a
grupos
amino,
reducidos
(asimilación).
Para volver a
contar con nitrato
hace falta que los
descomponedore
s lo extraigan de
la
biomasa
dejándolo en la
forma reducida de ion amonio (NH4+), proceso que se llama amonificación; y que luego
el amonio sea oxidado a nitrato, proceso llamado nitrificación.
Así parece que se cierra el ciclo biológico esencial. Pero el amonio y el nitrato son
sustancias extremadamente solubles, que son arrastradas fácilmente por la escorrentía
y la infiltración, lo que tiende a llevarlas al mar. Al final todo el nitrógeno atmosférico
habría terminado, tras su conversión, disuelto en el mar. Los océanos serían ricos en
nitrógeno, pero los continentes estarían prácticamente desprovistos de él, convertidos
en desiertos biológicos, si no existieran otros dos procesos, mutuamente simétricos, en
los que está implicado el nitrógeno atmosférico (N2). Se trata de la fijación de
nitrógeno, que origina compuestos solubles a partir del N2, y la desnitrificación, una
forma de respiración anaerobia que devuelve N2 a la atmósfera. De esta manera se
mantiene un importante depósito de nitrógeno en el aire (donde representa un 78% en
volumen).
Fijación de nitrógeno
La fijación de nitrógeno es la conversión del nitrógeno del aire (N 2) a formas distintas
susceptibles de incorporarse a la composición del suelo o de los seres vivos, como el
ion amonio (NH4+) o los iones nitrito (NO2–) o nitrato (NO3–); y también su conversión a
sustancias atmosféricas químicamente activas, como el dióxido de nitrógeno (NO 2), que
reaccionan fácilmente para originar alguna de las anteriores.
Fijación abiótica. La fijación natural puede ocurrir por procesos químicos
espontáneos, como la oxidación que se produce por la acción de los rayos, que forma
óxidos de nitrógeno a partir del nitrógeno atmosférico.
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Fijación biológica de nitrógeno. Es un fenómeno fundamental que depende de
la habilidad metabólica de unos pocos organismos, llamados diazotrofos en relación a
esta habilidad, para tomar N2 y reducirlo a nitrógeno orgánico:
N2 + 8H+ + 8e− + 16 ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 Pi
La fijación biológica la realizan tres grupos de microorganismos diazotrofos:
Bacterias gramnegativas de vida libre en el suelo, de géneros como Azotobacter,
Klebsiella o el fotosintetizador Rhodospirillum, una bacteria purpúrea.
Bacterias simbióticas de algunas plantas, en las que viven de manera
generalmente endosimbiótica en nódulos, principalmente localizados en las raíces. Hay
multitud de especies encuadradas en el género Rhizobium, que guardan una relación
muy específica con el hospedador, de manera que cada especie alberga la suya.
Cianobacterias de vida libre o simbiótica. Las cianobacterias de vida libre son
muy abundantes en el plancton marino y son los principales fijadores en el mar. Además
hay casos de simbiosis, como el de la cianobacteria Anabaena en cavidades
subestomáticas de helechos acuáticos del género Azolla, o el de algunas especies de
Nostoc que crecen dentro de antoceros y otras plantas.
La fijación biológica depende del complejo enzimático de la nitrogenasa.
Amonificación
La amonificación es la conversión a ion amonio del nitrógeno que en la materia viva
aparece principalmente como grupos amino (-NH2) o imino (-NH-). Los animales, que no
oxidan el nitrógeno, se deshacen del que tienen en exceso en forma de distintos
compuestos. Los acuáticos producen directamente amoníaco (NH3), que en disolución
se convierte en ion amonio. Los terrestres producen urea, (NH2)2CO, que es muy
soluble y se concentra fácilmente en la orina; o compuestos nitrogenados insolubles
como la guanina y el ácido úrico, que son purinas, y ésta es la forma común en aves o
en insectos y, en general, en animales que no disponen de un suministro garantizado de
agua. El nitrógeno biológico que no llega ya como amonio al sustrato, la mayor parte en
ecosistemas continentales, es convertido a esa forma por la acción de microorganismos
descomponedores.
Nitrificación
La nitrificación es la oxidación biológica del amonio a nitrato por microorganismos
aerobios que usan el oxígeno molecular (O2) como aceptor de electrones, es decir,
como oxidante. A estos organismos el proceso les sirve para obtener energía, al modo
en que los heterótrofos la consiguen oxidando alimentos orgánicos a través de la
respiración celular. El C lo consiguen del CO2 atmosférico, así que son organismos
autótrofos. El proceso fue descubierto por Sergei Vinogradski y en realidad consiste en
dos procesos distintos, separados y consecutivos, realizados por organismos diferentes:
Nitrosación. Partiendo de amonio se obtiene nitrito (NO2–). Lo realizan bacterias
de, entre otros, los géneros Nitrosomonas y Nitrosococcus.
Nitratación. Partiendo de nitrito se produce nitrato (NO3–). Lo realizan bacterias
del género Nitrobacter.
La combinación de amonificación y nitrificación devuelve a una forma asimilable por las
plantas, el nitrógeno que ellas tomaron del suelo y pusieron en circulación por la cadena
trófica.
Desnitrificación
La desnitrificación es la reducción del ion nitrato (NO3–), presente en el suelo o el agua,
a nitrógeno molecular o diatómico (N2) la sustancia más abundante en la composición
del aire. Por su lugar en el ciclo del nitrógeno este proceso es el opuesto a la fijación del
nitrógeno.
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Lo realizan ciertas bacterias heterótrofas, como Pseudomonas fluorescens, para
obtener energía. El proceso es parte de un metabolismo degradativo de la clase llamada
respiración anaerobia, en la que distintas sustancias, en este caso el nitrato, toman el
papel de oxidante (aceptor de electrones) que en la respiración celular normal o
aerobia corresponde al oxígeno (O2). El proceso se produce en condiciones anaerobias
por bacterias que normalmente prefieren utilizar el oxígeno si está disponible.
El proceso sigue unos pasos en los que el átomo de nitrógeno se encuentra
sucesivamente bajo las siguientes formas:
Nitrato → nitrito → óxido nítrico → óxido nitroso → nitrógeno molecular
Expresado como reacción redox:
2NO3- + 10e- + 12H+ → N2 + 6H2O
Como se ha dicho más arriba, la desnitrificación es fundamental para que el nitrógeno
vuelva a la atmósfera, la única manera de que no termine disuelto íntegramente en los
mares, dejando sin nutrientes a la vida continental. Sin él la fijación de nitrógeno,
abiótica y biótica, habría terminado por provocar la depleción (eliminación) del N 2
atmosférico.
La desnitrificación es empleada, en los procesos técnicos de depuración controlada de
aguas residuales, para eliminar el nitrato, cuya presencia favorece la eutrofización y
reduce la potabilidad del agua, porque se reduce a nitrito por la flora intestinal, y éste es
cancerígeno.

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