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INSTITUTO SANTA MARÍA MIACELA GUÍA DE APRENDIZAJE

ÁREA GRADO PERIODO/GUÍA

BIOLOGÍA OCTAVO IV

DOCENTE FECHA ESTUDIANTE

EDUCANDO EN EL AMOR Y PARA EL AMOR

ROY ELIECER ACOSTA AMADO

INDICADOR DE DESEMPEÑO Explico los diferentes ciclos biogeoquímicos y su relación con el suelo. TIEMPO 6 HORAS CONTEXTUALIZACIÓN RESPONDA LAS PREGUNTAS 1. Que es un ciclo 2. Cómo funciona el proceso de respiración 3. De donde sale el agua que consumimos 4. Si llegara a faltar el aire que ocurriría 5. Cuál es la importancia del nitrógeno, fosforo carbono y oxígeno en la vida TRANSFERENCIA DE CONOCIMIENTO La materia se mueve en numerosos ciclos desde una parte de un ecosistema otra; es decir, de un organismo a otro (en cadenas alimentarias) y de organismos vivos al ambiente abiótico y de regreso. Estos ciclos de materia se denominan ciclos biogeoquímicos porque implican interacciones biológicas, geológicas y químicas. Para todos los efectos prácticos, la materia no puede escapar de los límites de la Tierra. Los materiales usados por los organismos no pueden “perderse”, aunque esta materia puede terminar en sitios fuera del alcance de los organismos durante un largo periodo. En términos generales, la materia se reutiliza y a menudo se recicla tanto dentro de los ecosistemas como entre estos. Se analizaran cuatro ciclos biogeoquímicos diferentes de la materia: carbono, nitrógeno, fosforo y agua, como representativos de todos los ciclos biogeoquímicos. Estos cuatro ciclos son particularmente importantes para los organismos porque implican materiales usados para elaborar los componentes químicos de las células. EL BIÓXIDO DE CARBONO ES LA MOLÉCULA PIVOTE EN EL CICLO DEL CARBONO Las proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, carbohidratos y otras moléculas esenciales para la vida contienen carbono. El carbono está presente en la atmosfera como el gas bióxido de carbono (CO2), que constituye alrededor de 0.04% de la atmosfera. También está presente en el océano y el agua dulce como bióxido de carbono disuelto; es decir, carbonato (CO3-2) y bicarbonato (HCO3-1), otras formas de carbono inorgánico disuelto, y carbono orgánico disuelto derivado de procesos de decaimiento. El carbono también está presente en rocas como la caliza (CaCO3). El movimiento mundial del carbono entre el ambiente abiótico, incluyendo la atmosfera y el océano, y los organismos se conoce como ciclo del carbono. Durante la fotosíntesis, las plantas, algas y cianobacterias retiran bióxido de carbono del aire y lo fijan, o incorporan, en compuestos orgánicos como la glucosa. Las plantas usan gran parte de la glucosa para hacer celulosa, almidón, aminoácidos, ácidos nucleicos y otros compuestos.

Muchos de estos compuestos se usan como combustible para la respiración celular por los productores que los elaboran, por un consumidor que come al productor o por un descomponedor que desintégralos restos del productor o del consumidor. El proceso de la respiración celular devuelve el bióxido de carbono a la atmosfera. Un ciclo del carbono semejante ocurre en ecosistemas acuáticos entre organismos acuáticos y bióxido de carbono disuelto en el agua. Algunas veces el carbono en las moléculas biológicas no se recicla de vuelta al ambiente abiótico durante largo tiempo. El carbono almacenado en la madera de los arboles puede permanecer por varios cientos de años e incluso más. También, hace millones de años se formaron vastos lechos de carbón a partir de los cuerpos de árboles antiguos que fueron sepultados y sometidos a condiciones anaerobias antes de desintegrarse por completo. De manera semejante, es probable que los aceites de organismos marinos unicelulares dieran origen a depósitos subterráneos de petróleo y gas natural que se acumularon en el pasado geológico. Carbón, petróleo y gas natural, denominados combustibles fósiles porque se formaron a partir de los restos de organismos antiguos, son vastos depósitos de compuestos de carbono, los productos finales de la fotosíntesis que ocurrió hace millones de años. El proceso de quema, o combustión, puede regresar a la atmosfera el carbono contenido en el carbón, petróleo, gas natural y madera. En la combustión, las moléculas orgánicas se oxidan con rapidez (se combinan con oxígeno) y se convierten en bióxido de carbono y agua con una liberación concomitante de luz y calor. Una cantidad todavía mayor de carbono que ha permanecido almacenado durante millones de años está incorporada en las conchas de organismos marinos. Cuando estos organismos mueren, sus conchas se hunden en el fondo del océano y son cubiertas por sedimentos, formando. Depósitos de lecho marino de varios miles de metros de espesor. Los depósitos terminan por ser cementados entre si formando piedra caliza, una roca sedimentaria. La corteza terrestre es dinámicamente activa y a lo largo de millones de años la roca sedimentaria en el fondo del piso marino puede emerger para formar tierras superficiales. Cuando el proceso de levantamiento geológico expone la piedra caliza, un proceso de desgaste químico y físico la erosiona lentamente. Esto devuelve el carbono al agua y a la atmosfera, donde queda disponible para participar de nuevo en el ciclo del carbono. LAS ACTIVIDADES HUMANAS HAN PERTURBADO LA EXISTENCIA MUNDIAL DE CARBONO Antes de la Revolución Industrial, alrededor de 1750, el ciclo mundial del carbono estaba en estado estable. Enormes cantidades de carbono se movían hacia la atmosfera, el océano y los ecosistemas terrestres y desde estos, pero estos movimientos dentro del ciclo global del carbono se cancelaban entre sí.

Desde 1750, la sociedad industrial ha requerido mucha energía y se han quemado cantidades cada vez mayores de combustibles fósiles; carbón, petróleo y gas natural, para obtener dicha energía. Esta tendencia, junto con una mayor combustión de madera como combustible y la quema de grandes secciones de bosques tropicales, ha liberado CO2 a la atmosfera a un ritmo más grande del que el ciclo del carbono puede manipular. El océano de la Tierra absorbe la mayor parte de este exceso de CO2. En el océano algo del CO2 disuelto se convierte en ácido carbónico (H2CO3) que vuelve acidas las aguas oceánicas superficiales. Según la investigación reportada en 2003 en la revista Nature, el pH de las aguas superficiales modernas es aproximadamente 0.1 unidad menor de lo que era en la época preindustrial y los modelos pronostican hasta 1.4 unidades de acidificación adicional durante los próximos 300 anos. La acidificación del océano daña a los organismos marinos, en particular a aquellos que producen esqueletos y conchas de carbonato de calcio (CaCO3), el cual se disuelven en presencia de ácido. El nivel de CO2 atmosférico se incrementó notablemente a principios de la segunda mitad del siglo xx (vea la fi gura 57-16) y este aumento de CO2 parece haber iniciado los cambios inducidos por los humanos en el

clima mundial. El cambio en el clima mundial puede resultar en un aumento del nivel del mar, cambios en los patrones de precipitación pluvial, muerte de bosques, extinción de organismos y problemas para

la agricultura. Podría forzar al desplazamiento de miles e incluso millones de personas, en particular de las zonas costeras. PREGUNTAS: 1. ¿Cuáles son los papeles de los siguientes procesos en el ciclo del carbono: fotosíntesis, respiración celular, combustión y erosión? 2. ¿Qué proceso del ciclo podría llevar a un estancamiento de la circulación del carbono? 3. En las últimas décadas la acumulación de carbono en la atmósfera ha experimentado un ritmo acelerado ¿cuál de los siguientes factores consideras que puede influir en este problema? A. Aumento del consumo de combustibles B. Incremento de la población mundial C. Aumento de la industrialización D. Disminución de los bosques en el mundo LAS BACTERIAS SON ESENCIALES PARA EL CICLO DEL NITRÓGENO El nitrógeno es crucial para todos los organismos porque es un componente esencial de las proteínas, los ácidos nucleicos y la clorofila. Debido a que la atmosfera de la Tierra es aproximadamente 78% de nitrógeno gaseoso (N2), podría parecer imposible una reducción del nitrógeno para los organismos. Sin embargo, el nitrógeno molecular es tan estable que no se combina fácilmente con otros elementos. En consecuencia, la molécula de N2 debe descomponerse antes de que los átomos de nitrógeno se combinen con otros elementos para formar proteínas, ácidos nucleicos y clorofila.

Las reacciones químicas que descomponen el N2 y combinan el nitrógeno con otros elementos requieren bastante energía. El ciclo del nitrógeno, en el que este elemento se recicla entre el ambiente abiótico y los organismos, consta de cinco pasos: fijación del nitrógeno, nitrificación, asimilación, amonificacion y desnitrifacion. Las bacterias están involucradas exclusivamente en estos pasos, excepto en la asimilación. El primer paso en el ciclo, la fijación del nitrógeno, de carácter biológico , implica la conversión del nitrógeno gaseoso (N2) en amoniaco (NH3). Este proceso fija el nitrógeno en una forma que los organismos pueden usar. La combustión, la acción volcánica, las descargas eléctricas y los procesos industriales también fijan el nitrógeno como nitrato (NO3-). Las bacterias fijadoras de nitrógeno, incluyendo las cianobacterias y otras bacterias de existencia libre y simbiótica, llevan a cabo la fijación de nitrógeno en el suelo y en ambientes acuáticos. Las bacterias fijadoras de nitrógeno emplean una enzima denominada nitrogenasa para descomponer el nitrógeno molecular y combinar los átomos de nitrógeno resultantes con el hidrogeno. Puesto que la nitrogenasa solo funciona en ausencia de oxígeno, las bacterias que fijan nitrógeno aíslan la enzima del oxígeno de alguna manera. Algunas bacterias fi jedoras de nitrógeno viven bajo capas de limo excluyentes de oxigeno sobre las raíces de varias especies de plantas. Otras bacterias fijadoras de nitrógeno importantes, del genero Rhizobium, viven en protuberancias excluyentes de oxígeno, o nódulos, sobre las raíces de legumbres como frijoles y chicharos, y en algunas plantas leñosas. En ambientes acuáticos, las cianobacterias llevan a cabo casi toda la fijación de nitrógeno. Las cianobacterias filamentosas poseen unas células especiales excluyentes de oxigeno denominadas heterocistos que funcionan para fijar el nitrógeno. Algunos helechos acuáticos tienen cavidades en las que viven las

cianobacterias, de manera comparable a la forma en que el Rhizobium vive en nódulos en las raíces

de legumbres. Otras cianobacterias fijan nitrógeno en asociación simbiótica con cocadas y otras plantas terrestres, o como el compañero fotosintético de ciertos líquenes.

El segundo paso en el ciclo del nitrógeno es la nitrificación, la conversión de amoniaco (NH3) o amonio (NH4+), formados cuando el agua reacciona con amoniaco, en nitrato (NO3−). Las bacterias del suelo son responsables del proceso bifásico de nitrificación, que provee energía a estas bacterias, denominadas bacterias nitrificadoras. En el tercer paso, la asimilación, las raíces absorben amoniaco (NH3), amonio (NH4+) o nitrato (NO3−) formados por fijación de nitrógeno y nitrificación, e incorporan el nitrógeno en proteínas, ácidos nucleicos y clorofila. Cuando los animales consumen tejidos vegetales, asimilan nitrógeno al tomar compuestos de nitrógeno vegetales y convertirlos en compuestos de nitrógeno animales. El cuarto paso, la amonificación, es la conversión de compuestos de nitrógeno orgánicos en amoniaco (NH3) y amonio (NH4+). La amonificacion empieza cuando el organismo produce desechos que contienen nitrógeno como urea en orina y ácido úrico en los desechos de las aves. A medida que estas sustancias, junto con los compuestos de nitrógeno en los organismos muertos, se descomponen, el nitrógeno es liberado hacia el ambiente abiótico como amoniaco (NH3). Las bacterias que llevan a cabo la amonificacion en los ambientes terrestre y acuático se denominan bacterias amonificadoras. La mayoría del nitrógeno disponible en el suelo se deriva del nitrógeno orgánico reciclado por amonificacion. El quinto paso del ciclo del nitrógeno es la desnitrificación, la reducción de nitrato (NO3−) en nitrógeno gaseoso (N2). Las bacterias desnitrificadoras invierten la acción de las bacterias fijadoras de nitrógeno y nitrificadoras al devolver el nitrógeno a la atmosfera como nitrógeno gaseoso. Las bacterias desnitrificadoras son anaerobias y por tanto viven y crecen mejor donde hay poco o ningún oxígeno. Por ejemplo, se encuentran profundamente en el suelo cerca de la capa freática, un ambiente que está casi libre de oxígeno. LAS ACTIVIDADES HUMANAS HAN CAMBIADO EL BALANCE MUNDIAL DE NITRÓGENO Las actividades humanas han perturbado el balance del ciclo mundial de nitrógeno. Durante el siglo xx, los humanos han duplicado con creces la cantidad de nitrógeno fijo (el cual ha sido combinado químicamente con hidrogeno, oxigeno o carbono) que entra al ciclo mundial de nitrógeno. El exceso de este elemento está alterando gravemente muchos ecosistemas terrestres y acuáticos. A partir del nitrógeno gaseoso se producen grandes cantidades de fertilizante nitrogenado para la agricultura. El uso creciente del fertilizante ha resultado en mayores cosechas, aunque hay impactos ambientales negativos derivados del nitrógeno producido por los humanos. El fertilizante de nitrógeno es extremadamente móvil y se transfiere con facilidad de la tierra a los ríos, a los estuarios y al océano. Así, el uso excesivo de fertilizantes comerciales en la tierra ocasiona problemas en la calidad del agua que pueden ayudar a explicar el descenso a largo plazo en gran parte de la pesca costera. La cantidad de nitrato o amonio en la mayoría de los ecosistemas acuáticos está restringida y limita el crecimiento de las algas. La lluvia arrastra el fertilizante hacia ríos y lagos, Donde estimula el crecimiento de algas, algunas de las cuales son toxicas. A medida que estas mueren, su descomposición por bacterias roba al agua el oxígeno disuelto, lo que a su vez provoca que otros organismos acuáticos, incluyendo muchos peces, se ahoguen. Los nitratos del fertilizante también se lixivian (se disuelven y deslavan) a través del suelo y contaminan el agua subterránea. Muchas personas que viven en zonas rurales beben agua subterránea, que es peligrosa cuando está contaminada por nitratos, en particular para los bebes y niños pequeños. Otra actividad humana que afecta el ciclo de nitrógeno es la combustión de combustibles fósiles. Cuando estos son quemados, el nitrógeno Encerrado en los compuestos orgánicos es modificado químicamente y traspasado a la atmosfera. Además, la alta temperatura de la combustión convierte algo del nitrógeno atmosférico en óxidos de nitrógeno. El escape de los automóviles es una de las fuentes más importantes de óxidos de nitrógeno que son un ingrediente necesario en la producción de smog fotoquímico, una mezcla de varios contaminantes del aire que dañan los tejidos vegetales, irritan los ojos y provocan enfermedades respiratorias En los humanos.

Los óxidos de nitrógeno también reaccionan con el agua en la atmosfera para formar ácido nítrico (HNO3) y acido nitroso (HNO2). Una vez que estos y otros ácidos salen de la atmosfera como deposición ácida, disminuyen el pH de las aguas superficiales (lagos y corrientes) y los suelos. La deposición acida ha sido relacionada con la declinación en las poblaciones de animales en los ecosistemas acuáticos. En la tierra, la deposición acida altera la composición química del suelo; ciertos minerales esenciales, como calcio y potasio, son deslavados del suelo, por lo que no están disponibles para los vegetales. El óxido nitroso (N2O), uno de los óxidos de nitrógeno, retiene calor en la atmosfera (como el CO2), promoviendo así el cambio en el clima mundial. El óxido nitroso también contribuye al agotamiento del ozono en la estratosfera. PREGUNTAS: 1. Si en la atmósfera hay tanto nitrógeno (79%) ¿por qué es necesario abonar los suelos? 2. ¿Qué clase de organismos cumplen un rol fundamental en este ciclo? 3. Reconoce los principales procesos del ciclo del nitrógeno e indica que transformación química

del nitrógeno ocurre en cada etapa.

EL CICLO DEL FÓSFORO CARECE DE UN COMPONENTE GASEOSO El fosforo no existe en estado gaseoso, por lo que no entra a la atmosfera. En el ciclo del fósforo, este se recicla desde la tierra hasta los sedimentos en el océano y regresa a la tierra. A medida que el agua corre sobre las rocas que contienen fosforo, gradualmente erosiona su superficie y se lleva el fosfato inorgánico (PO43−). La erosión de rocas de fosforo libera fosfato hacia el suelo, donde es tomado por las raíces en forma de fosfatos inorgánicos. Una vez en las células, los fosfatos se incorporan en una variedad de moléculas biológicas, incluidos ácidos nucleicos, ATP y los fosfolípidos que forman las membranas celulares. Los animales obtienen la mayoría del fosforo que requieren de los alimentos que consumen, aunque en algunos sitios el agua potable puede contener una cantidad importante de fosfato inorgánico. El fosfato liberado por los descomponedores se convierte en parte de la reserva de fosfato inorgánico en el suelo que los vegetales reutilizan. Así, igual que el carbono y el nitrógeno, el fosforo se mueve a través de la red alimentaria a medida que un organismo consume a otro.

El fosforo se recicla a través de los ecosistemas acuáticos de manera bastante semejante a como lo hace en los ecosistemas terrestres. El fosfato disuelto entra a los ecosistemas acuáticos mediante la absorción por algas y plantas acuáticas, las cuales son consumidas por el zooplancton y organismos más grandes. A su vez, una variedad de peces y moluscos consumen el zooplancton. Finalmente, los descomponedores desintegran desechos y organismos muertos para liberar fosfato inorgánico en el agua, poniéndolo a disposición de los productores acuáticos para que lo usen de nuevo. El fosfato puede perderse por periodos variables de los ciclos biológicos. Las corrientes y los ríos llevan algo de fosfato al océano, donde se deposita en el piso marino y permanece en el durante millones de años. El proceso de levantamiento geológico podría exponer algún día estos sedimentos del piso marino como nuevas tierras superficiales, de donde el fosfato puede ser erosionado una vez más. Los depósitos de fosfato también se extraen para uso agrícola en fertilizantes de fosfato. LOS HUMANOS AFECTAN EL CICLO NATURAL DEL FÓSFORO

En comunidades terrestres naturales se pierde muy poco fosforo del ciclo, aunque pocas comunidades hoy en día están en estado natural; es decir, inalteradas de alguna forma por los humanos. Las prácticas de desnudación de la tierra, como la tala forestal y la erosión de tierras agrícolas y residenciales acelera la perdida de fosforo del suelo hacia los cursos de agua. El exceso de fosforo enriquece el agua, ocasionando la proliferación de algas que roban del agua el oxígeno disuelto. Para efectos prácticos, el fosforo que se lava de la tierra al océano se pierde de manera permanente del ciclo terrestre del fosforo (y del uso ulterior humano) porque permanece en el océano durante millones de años. Los ecólogos también están preocupados por la extracción de fosforo a un ritmo que no es sostenible. A su ritmo de uso actual, es probable que los depósitos de fosforo en Estados Unidos se agoten durante el Siglo XXI. PREGUNTAS 1. ¿Cómo se lleva a cabo el ciclo del fósforo sin un componente gaseoso? 2. Cuál es la principal afectación humana al ciclo del fosforo EL AGUA SE MUEVE ENTRE EL OCÉANO, LA TIERRA Y LA ATMÓSFERA EN EL CICLO HIDROLÓGICO La vida no sería posible sin agua, que constituye una parte sustancial de la masa de la mayoría de los organismos. Todas las especies, desde bacterias hasta vegetales y animales, usan el agua como medio para las reacciones químicas, así como para el transporte de materia dentro de las células y entre ellas....