GUÍA BIOLOGÍA: CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

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1 GUÍA BIOLOGÍA: CICLOS BIOGEOQUÍMICOS Nivel: 3 Medio Electivo La materia, de la que están formados todos los seres vivos, circula de ida y vuelta, permanentemente, entre el mundo vivo y el ambiente abiótico. La Tierra es un sistema cerrado de materia: no recibe materia desde el exterior ni tampoco la pierde. Las sustancias son reutilizadas y recirculan varias veces por los ecosistemas. Existen cinco ciclos biogeoquímicos representativos de todos los de la materia: carbono, nitrógeno, azufre, fósforo y agua; todos ellos revisten particular importancia para los seres vivos. El ciclo del carbono Los seres vivos deben disponer de carbono, porque las moléculas que constituyen toda Figura N 1: Ciclo del C forma de vida, proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y carbohidratos contienen dicho elemento. El carbono existe en la atmósfera como dióxido de carbono (C0 2 ), el cual constituye aproximadamente el 0,03% del aire atmosférico. También está presente en el océano como carbonatos (HC0 3 - ) y en rocas como la caliza. Durante la fotosíntesis, plantas, algas y cianobacterias extraen dióxido de carbono del aire y lo fijan en compuestos químicos complejos, por ejemplo, azúcar. Estos compuestos suelen ser utilizados como combustibles en la respiración celular; y de este modo el C0 2 es devuelto a la atmósfera. Ocurre un ciclo similar en ecosistemas acuáticos, entre organismos acuáticos fotosintetizadores y C0 2 disuelto en el agua. Traspaso del CO 2 de la atmósfera a la litósfera El CO 2 se disuelve con facilidad en el agua para formar ácido carbónico que ataca a los carbonatos y silicatos. En la reacción se producen iones bicarbonato, calcio y sílice:

2 Al llegar al mar, los animales transforman nuevamente el bicarbonato y los iones de calcio en carbonato de calcio para incorporarlo a sus tejidos o estructuras sólidas: 2HCO 3 + Ca +2 CaC0 3 + C0 2 + H20 Figura N 2.-Las conchas de los moluscos y las caparazones de muchos otros organismos constituyen depósitos de carbonatos. Retorno del C0 2 a la atmósfera? 1. El enterramiento de algunas rocas carbonadas acaba produciendo una fusión parcial de ellas, que podrán liberar C0 2 con escape hacia la atmósfera durante las erupciones volcánicas. CaC0 3 + Si0 2 CaSi0 3 + C En ciertas ocasiones, la materia orgánica de la biosfera puede quedar sepultada fuera del contacto con el 0 2. Este es el caso de la formación de los depósitos de hulla (carbón) a partir de los cuerpos de árboles antiguos que no se descompusieron del todo antes de quedar sepultados, y también el caso de los depósitos subterráneos de petróleo y gas natural originados probablemente de los aceites de diatomeas y otros organismos marinos. Hulla, petróleo y gas natural, llamados combustibles fósiles dado que se formaron de los restos de organismos antiguos, son grandes depositarios de compuestos carbonados, materia que puede ser devuelta a la atmósfera por el proceso de combustión. En la combustión, las moléculas orgánicas son oxidadas con rapidez, y convertidas en dióxido de carbono y agua con liberación de luz y calor. Ciclo del Nitrógeno El nitrógeno es esencial para todos los seres vivos porque es el elemento fundamental de las moléculas de proteínas y de ácidos nucleicos. Puesto que la atmósfera terrestre tiene un 80% de nitrógeno, se podría pensar que los seres vivos no tendrían problemas con el abastecimiento de este gas; sin embargo, el nitrógeno atmosférico es tan estable que no se

3 combina con facilidad con otros elementos, y en consecuencia los seres vivos no pueden tomarlo directamente de la atmósfera. El ciclo del nitrógeno tiene cinco pasos: 1) fijación de nitrógeno; 2) nitrificación; 3) asimilación; 4) amonificación y 5) desnitrificación. 1. FIJACIÓN DE NITRÓGENO Implica la conversión de nitrógeno gaseoso (N 2 ) en amoníaco (NH 3 ) o nitrato (N0 3 ), de modo que el nitrógeno quede "atrapado" en moléculas utilizables por los seres vivos. Aunque una cantidad considerable de nitrógeno se fija por combustión, vulcanismo, descargas eléctricas y procesos industriales, la mayor parte de la fijación de nitrógeno es efectuado por bacterias y cianobacterias presentes en el suelo y ambientes acuáticos, produciendo amoníaco. La principal reacción química en la fijación de nitrógeno se basa en el empleo de la enzima nitrogenasa para dividir la molécula de nitrógeno gaseoso y combinarlo con hidrógeno Hay dos tipos de bacterias fijadoras de nitrógeno: simbióticas e independientes. Las fijadoras simbióticas, principalmente el género Rhizohium, infectan las raíces de ciertas clases de plantas como las leguminosas (trébol, alfalfa, etc.). La planta responde a esta infección formando una masa o nódulo dentro del cual la bacteria crece y se multiplica. Esta es una asociación mutualista: las plantas les dan carbohidratos a las bacterias y éstas le entregan a la planta amoníaco y diversos aminoácidos. Figura N 3.-Nódulos de Rhizobium asociados a la raíz de una planta leguminosa Los fijadores independientes son un grupo muy heterogéneo de bacterias. Las dos clases más importantes son los Azotobacters y algunos clostridios. Los Azotobacters son bacterias aeróbicas típicas, en cambio, los clostridios son estrictamente anaeróbicos. Uno de los procesos que realizan estos organismos es la fermentación de los aminoácidos, obteniendo, entre otros productos, amoníaco. En hábitat acuático, y en condiciones anaeróbicas, la mayor parte de la fijación del nitrógeno es realizada por cianobacterias. En los cultivos de arroz, por ejemplo, estos organismos son importantes para mantener la fertilidad de los suelos. 2. NITRIFICACIÓN: La conversión de amoníaco (NH 3 ) en nitrato (N0 3 - ), llamada nitrifícación, es realizada por bacterias del suelo. Es un proceso de dos fases: primero, las bacterias Nitrosomonas y Nitrococcus convierten el amoníaco en nitrito (N0 2 - ); después la

4 bacteria Nitrobacter oxida el nitrito a nitrato. En conjunto, estas bacterias mineralizadoras y las fijadoras de nitrógeno, son llamadas bacterias nitrifícantes. Figura N 4: Ciclo del N NH / 2 O 2 N H + H energía N / NO energía Estas reacciones químicas son la base del metabolismo energético de aquellas bacterias. Recuerda que corresponden a organismos quimiosintéticos. La rotación de los cultivos con leguminosas y otros vegetales no es suficiente para mantener una cantidad adecuada de nitratos en aquellos suelos donde se practica una agricultura intensa. Una solución es la fertilización química; pero esto no está exento de problemas, porque el exceso de compuestos nitrogenados contamina ríos y lagos. La presencia de nitratos en el agua potable, por ejemplo, produce enfermedades, a veces mortales, en los animales y en el hombre. Al ser transformados en nitritos en el tubo digestivo, provocan diarreas y gastroenteritis. En los bebés, la piel adquiere un color azulado como síntoma de la falta de oxígeno. 3. ASIMILACIÓN: En este proceso, las raíces de las plantas absorben el nitrato (N0 3 - ) o el amoníaco (NH 3 ) que se formaron por fijación o nitrificación, e incorporan el nitrógeno en las moléculas de proteínas y ácidos nucleicos. Cuando los animales comen tejidos vegetales, asimilan el nitrógeno para fabricar sus propias proteínas y ácidos nucleicos.

5 4. AMONIFICACIÓN: La conversión de compuestos nitrogenados orgánicos (por ejemplo, aminoácidos y proteínas) en amoníaco se conoce como amonificación, y las bacterias que realizan este proceso reciben el nombre de bacterias amonificantes. El amoníaco producido entra en el ciclo del nitrógeno y queda disponible una vez más para los procesos de nitrificación y asimilación. La amonificación es parte de los mecanismos de descomposición química de los restos de organismos muertos y de los desechos animales. 5. DESNITRIFICACIÓN: La reducción del nitrato (N0 3 ) a nitrógeno gaseoso (N 2 ) se denomina desnitrificación. Las bacterias responsables de este proceso (bacterias desnitrificantes) revierten la acción de las bacterias fijadoras de nitrogeno y nitrificantes; es decir, devuelven nitrógeno en forma de gas a la atmósfera. Las bacterias desnitrificantes son anaerobias, por lo que se desarrollan en sitios con poco o nada de oxígeno. Por ejemplo, se encuentran en capas profundas del suelo y en las aguas subterráneas. La acción de las bacterias desnitrificantes se basa en su metabolismo anaeróbico. En éste, las bacterias utilizan los nitratos como aceptor de los electrones que se desprenden en la respiración celular en vez del oxígeno que utilizan los organismos aeróbicos. El ciclo del fósforo El fósforo no existe en estado gaseoso, y por tanto no está en la atmósfera. Sus depósitos de mayor importancia corresponden a los sedimentos oceánicos, donde se encuentra más o menos inmovilizado formando parte de la litosfera. Su proceso de liberación es muy lento, razón por la que constituye el principal factor limitante, considerándose por ello un recurso no renovable. Figura 5: Ciclo del P Una parte del fósforo que sale de los ciclos biológicos es alejado de la tierra por ríos y arroyos hacia el océano, donde puede depositarse en el piso oceánico y permanecer ahí por miles de años.

6 La erosión de las rocas fosfatadas libera fosfato en el suelo, de donde es captado por las raíces de las plantas. Una vez en el interior de las células, el fosfato es utilizado en una variedad de moléculas biológicas (por ejemplo, ácidos nucleicos). Los animales obtienen la mayor parte del fósforo a través de los alimentos que consumen, aunque en algunas localidades el agua potable contiene cantidades significativas de fósforo inorgánico. El fósforo circula por la materia viva en la medida en que los seres vivos se comen unos a otros, y sale como fosfato inorgánico al mundo inerte por acción de los descomponedores. En las comunidades acuáticas, el fósforo ingresa a través de algas y plantas, que a su vez sirven de alimentos a los diversos peces, moluscos y crustáceos. Una pequeña parte de estos peces e invertebrados son consumidos por aves marinas, que defecan en las rocas, dejando grandes depósitos de guano, rico en fosfatos y nitratos. Una vez en tierra, estos minerales pueden ser absorbidos por las plantas. ACTIVIDAD I) Formar grupos de 4 alumnos como máximo II) Contestar en hoja ordenada, sin borrones y con una sola letra. I) Observa el diagrama de la figura 1 que representa el ciclo del C e indica los momentos en que el carbono pasa del mundo inerte al mundo vivo y viceversa. II) Observa el diagrama de la figura 4 que representa el ciclo del N e indica los momentos en que este elemento pasa del mundo inerte al mundo vivo y viceversa. III) En las siguientes preguntas de selección múltiple, encierre con un círculo la letra de la alternativa correcta. 1. Respecto del ciclo del carbono, cuál es exactamente la participación de la fotosíntesis? A) fijar carbono y compuestos químicos complejos B) liberar oxígeno al aire atmosférico C) liberar dióxido de carbono al aire atmosférico D) producir la fotolisis de las moléculas del agua E) consumir compuestos orgánicos como combustible celular 2. A qué corresponden las siguientes reacciones? 1) NH / N H + H energía 2) N / N energía I) nitrificación, en el ciclo del nitrógeno II) acción de Nitrosomonas y Nitrobacters III) reacciones del metabolismo fotosintético de ciertas bacterias A) sólo III B) I y II C) I y III D) II y III E) I, II y III 3. Uno de los mecanismos de descomposición de materia orgánica es realizado por las bacterias amonifícantes. Esto consiste en: A) convertir las proteínas y aminoácidos en amoníaco B) convertir el amoníaco en nitrógeno atmosférico C) convertir el amoníaco en nitritos y nitratos D) transportar amoníaco desde los desechos orgánicos a la atmósfera E) ninguna de las anteriores

7 4. Al utilizar los nitratos como aceptores de electrones en la respiración celular, en vez de oxígeno, las bacterias desnitrificantes realizan un metabolismo anaeróbico. Este proceso es la base de: A) la producción de nitrógeno gaseoso y su devolución a la atmósfera B) la fijación de nitrógeno en las cadenas tróficas C) la descomposición de restos orgánicos D) la síntesis de aminoácidos y de proteínas E) ninguna de las anteriores IV) Contesta las siguientes preguntas 1.-Nombre las fuentes del C disponibles en la naturaleza. 2.- A qué se debe que las conchas de moluscos representan depósitos de carbonatos? 3.- Cómo retorna el dióxido de carbono a la atmósfera? 4.- Cuáles son los diferentes tipos de bacterias fijadoras de nitrógeno? Caracterice cada una de ellas. 5.- Qué se entiende por amonificación? Cuál es la importancia de este proceso? 6.- En qué consiste la desnitrificación? por qué es tan importante este proceso? 7.-Construya una Tabla comparativa (semejanzas y diferencias) entre el ciclo del fósforo y el ciclo del nitrógeno? 8.-Explique el papel que desempeñan las aves marinas en el ciclo del fósforo.

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