Tema 5 El agua y los organismos

Transcripción

1 Tema 5 El agua y los organismos

2 Índice 1) El balance hídrico de los organismos terrestres 2) El sistema SUELO-PLANTA-ATMOSFERA: el movimiento de agua a través de las plantas 3) Por qué el potencial hídrico de las plantas determina su crecimiento? 4) Adaptaciones de los animales terrestres a la falta de agua - Evitación de la sequía - Evitando los efectos de la sequía 6) Balance hídrico en los animales acuáticos 7) Adaptaciones de los plantas a la falta de agua - Evitación de la sequía - Evitando los efectos de la sequía 8) Adaptaciones de los plantas al exceso de agua 9) Las plantas se aclimatan a la escasez de agua 10) Aplicación de los isótopos estables al estudio de la economía hídrica de las plantas

3 La falta o exceso de agua tiene efectos directos e indirectos sobre los organismos FALTA O EXCESO DE AGUA Relación directa Escasez de otros recursos (sensu lato) Aumento competencia entre organismos Relación indirecta 1) MERMA DEL CRECIMIENTO Y REPRODUCCIÓN 2) MUERTE

4 El balance hídrico de los organismos terrestres W = W comida + W bebida + W aire W e. - W s W = W raiz + W aire W t - W s Molles, 2005 La cantidad de agua libre en un sistema se puede medir por el potencial hídrico (ψ) El ψ de una planta dependerá del ψ del suelo y de la cantidad de agua perdida por transpiración Molles, 2005

5 El potencial hídrico de una planta se puede medir fácil y rápidamente con una cámara de Scholander Cámara de Scholander

6 El sistema SUELO-PLANTA-ATMOSFERA: el movimiento de agua a través de las plantas El agua circula a través de una planta gracias a un gradiente de potencial hídrico entre el suelo y la atmósfera, en el que la planta no es más que un punto intermedio en dicho gradiente Flujo O Ψ R 2 1 H 2 = Ψ R=Resistencia hidráulica Ψ aire = -50 MPa (HR=50%, 20ºC) Ψ hoja = -1.0 MPa Ψ tallo = MPa Ψ raíz = MPa Gradiente de potencial hídrico Ψ suelo = MPa Smith and Smith, 2001

7 El ψ de la planta determina su crecimiento porque condiciona la fotosíntesis y la elongación de las células Ψ Apertura de estomas Entrada de CO 2 Turgencia celular Fotosíntesis Crecimiento Conductancia estomática (mmol m -2 s -1 ) Quercus ilex Potencial hídrico de madrugada (-MPa) Meristemas División celular Elongación celular Elongación celular

8 Adaptaciones de los animales terrestres a la falta de agua EVITANDO LA SEQUIA Migraciones Enterramiento de anfibios Scaphiopus couchi

9 Adaptaciones de los animales terrestres a la falta de agua EVITANDO LOS EFECTOS DE LA SEQUIA: Evitando la desecación 1 ) Dependencia del agua de los alimentos y el agua metabólica 2) Captación de agua atmosférica Molles, 2005 Onymacris unguicularis

10 Adaptaciones de los animales terrestres a la falta de agua EVITANDO LOS EFECTOS DE LA SEQUIA: Evitando la desecación 3) Heces secas y orina concentrada: reabsorción intestinal y renal de agua eficaz 4) Reducción de la sudoración 5) Entrada en letargo en insectos: la consecuencia es un metabolismo ralentizado 6) Mayor impermeabilización de cutículas en insectos Cicindela oregona Cicindela obsoleta Molles, 2005

11 Adaptaciones de los plantas a la falta de agua EVITANDO LA SEQUIA Formación de semillas y otras estructuras de resistencia en el suelo: plantas anuales y efímeras y geófitos Plantas anuales y efímeras (terófitos) Geófitos

12 Adaptaciones de los plantas a la falta de agua EVITANDO LOS EFECTOS DE LA SEQUIA: Evitando la desecación 1) Reducción del tamaño de las especies leñosas + Aridez 3) Perdida de follaje - 2) Reducción del tamaño de las hojas Quercus pyrenaica 12 cm2 Quercus coccifera 1 cm2 Quercus ilex 3 2 cm

13 Adaptaciones de los plantas a la falta de agua EVITANDO LOS EFECTOS DE LA SEQUIA: Evitando la desecación 6) Baja transpiración y cierre rápido de estomas frente a la desecación Conductancia estomática (mmol H 20 m-2 s -1 ) Quercus ilex (encina) transpira más que el pino porque tiene muchos estomas (450 mm -2 ). Mantiene más abiertos sus estomas frente a la desecación Potencial hídrico de madrugada (-MPa) 5) Almacenando agua Pinus pinea (pino piñonero) transpira menos que la encina en condiciones óptimas porque tiene pocos estomas (72 mm -2 ). Cierra rápidamente sus estomas frente a la desecación

14 Adaptaciones de los plantas a la falta de agua EVITANDO LOS EFECTOS DE LA SEQUIA: Evitando la desecación 7) Desarrollando raíces profundas y extensas - 4,27 MPa - 3,7 MPa - 3,6 MPa - 1,3 MPa - 2,2 MPa Cornus florida Juglans nigra Juniperus sp. Quercus alba Acer saccharum

15 Adaptaciones de los plantas a la falta de agua EVITANDO LOS EFECTOS DE LA SEQUIA: Evitando la desecación 8) Baja capacidad hidráulica y resistencia a las embolias Clematis vitalba Buxus sempervirens Vulnerabilidad a las embolias Conductividad hidraúlica 9) Tolerancia a la deshidratación: líquenes, musgos y algunas plantas superiores. Cambios químicos en membranas y acumulación de compuestos protectores en el citosol

16 Adaptaciones de los plantas al exceso de agua Problemas debidos al exceso de agua: Dificultad de adquisición de O2 y CO2 Nuphar Hojas sumergidas Rizophora (mangle) Raíces respiratorias (pneumatóforos) Hojas emergidas Ranunculus

17 Las plantas también se aclimatan para sobrevivir a la escasez de agua Un caso práctico: aclimatación por estrés hídrico aplicado a la reforestación de ambientes secos Probabilidad de muerte Planta no aclimatada (control) Planta aclimatada Potencial hídrico (-MPa) Pinus halepensis (pino carrasco)

18 Balance hídrico en los animales acuáticos W = W comida + W bebida + W aire W e. - W s La ecuación del balance hídrico en animales acuáticos cambia en relación con los animales terrestres Molles, 2005 W = W comida + W bebida - W secreciones ± W osmosis pero por osmosis los animales acuáticos pueden ganar o perder agua dependiendo de si los animales son marinos o dulceacuícolas H 2 0 H 2 0 H 2 0 El organismo tiene un potencial osmótico mayorque el medio. HIPEROSMÓTICOS El organismo tiene un potencial osmótico menorque el medio. HIPOOSMÓTICOS El organismo tiene un potencial osmótico menorque el medio. ISOOSMÓTICOS

19 Cómo regulan los animales acuáticos su balance hídrico? Peces teleósteos dulceacuícolas (Hiperosmóticos) Pérdida de sal por difusión Ganancia de agua por osmosis Ganancia de agua y sales por alimento y agua (EN GENERAL NO BEBEN) Ganancia de sal por difusión Peces teleósteos marinos (Hipoosmóticos) Pérdida de agua por osmosis Ganancia de agua y sales por alimento Pérdida de agua y sal en heces Eliminan mucho agua por orina que está muy diluida en relación con plasma sanguíneo Captación ACTIVA de Na+ y Cl- Pérdida de agua y sal en heces 1)Producen poca cantidad de orina que es isosmótica en relación con el plasma sanguíneo 2) Secretan mucha cantidad de Mg 2+ y SO 4 2- Expulsión ACTIVA de Na+ y Cl- Beben gran cantidad de agua Tiburones y rayas (Elasmobranquios): Elevan la concentración de sus fluidos con urea y óxido de trimetilamina (OTMA) para hacerse ligeramente hiperosmóticos.

20 METODOLOGIA: Los isótopos estables nos permiten estudiar las adaptaciones de las plantas a la sequía Los Isótopos son formas del mismo elemento que únicamente difieren en el número de neutrones en el núcleo: Por ejemplo en el caso del CARBONO 12 C= tiene 12 neutrones y es estable=98.89% 13 C= tiene 13 neutrones y es estable =1.11% 14 C= tiene 14 neutrones y es inestable La proporción entre el 13 C y 12 C nos informa sobre la eficiencia de uso de agua de una planta Un enriquecimiento de los tejidos de una planta en 13 C indica un incremento en la eficiencia del uso del agua con respecto a otra planta no enriquecida en 13 C Por qué?

21 METODOLOGIA: Los isótopos estables de CARBONO nos permiten conocer qué plantas tienen mayor eficiencia de uso del agua Proporción de 13 C/ 12 C en los azúcares A [CO2] i altas la Rubisco usa preferentemente 12 CO 2 como sustrato Rubisco Rubisco A [CO2] i bajas la Rubisco empieza a usar más 13 CO 2 como sustrato 12 C 13 C 12 C 13 C [CO 2 ] i alta [CO 2 ] i baja CO 2 H 2 O CO 2 H 2 O Eficiencia de uso del agua Baja Alta

22 METODOLOGIA: Los isótopos estables de CARBONO nos permiten conocer qué plantas tienen mayor eficiencia de uso del agua Selección de variedades de tomate (Lycopersicon) en función de su eficiencia de uso del agua La proporción de 13 C / 12 C se representa por δ 13 C ( ). Sin aridez Valores más positivos (altos) significan mayor proporción de 13 C y por tanto mayor eficiencia de uso del agua Aridez moderada Aridez intensa Martin y Thorstenson 1988 Plant Physiology 88,

23 METODOLOGIA: Los isótopos estables del HIDROGENO permiten conocer en qué horizontes del suelo están los árboles obteniendo el agua que transpiran Proporción del deuterio ( 2 H) y 1 H =δd ( ) Valentini et al Functional Ecology 6:

24 METODOLOGIA: Los isótopos estables del HIDROGENO permiten conocer en qué horizontes del suelo están los árboles obteniendo el agua que transpiran Proporción del deuterio ( 2 H) y 1 H =δd ( ) Agua de lluvia δd= Valentini et al Functional Ecology 6: