Química de la biósfera
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Química de la biósfera es la rama de la química que estudia las capas de la Tierra donde existe la vida. En ella se agrupan todos los seres vivos que hay en el planeta y los lugares que en él ocupan.
Sumario
Biósfera
Es la región de la tierra donde existe la vida. La biosfera se encuentra en constante interacción con las demás geósferas. En la biosfera hay distintos ecosistemas. La sustancia más abundante e importante en los seres vivos es el agua, el medio donde ocurren los procesos y las reacciones bioquímicas. La biosfera pone en evidencia las interrelaciones entre todas las geósferas. Cambios que ocurren en las geósferas e intercambio de materiales. Los materiales químicos, en su estado natural, no permanecen inalterados en las diferentes geósferas sino que, a través de una serie de cambios, forman una gran variedad de sustancias. La circulación de los materiales a través de las diferentes geósferas, debido a continuos procesos de transformación, constituye un ciclo. El ciclo es un proceso en círculo; su etapa final se une con la inicial, desprendiendo o integrando materiales en cada uno de sus pasos.
Ciclo del agua
El agua se evapora de la superficie terrestre de la hidrosfera, y pasa a formar parte de los gases contenidos en la atmósfera; pasa como humedad. Llega un momento en que la acumulación de vapor de agua es bastante elevada; con esta acumulación se forman las nubes; cuando el peso del agua es elevado, y ocurre la disminución de la temperatura ayudada con la presencia de núcleos de condensación, se precipita, lo que puede hacer en forma de lluvia, nieve o granizo; es decir, se produce el paso de gas a líquido.
Ciclo del carbono
El elemento carbono es el principal constituyente de los seres vivos, junto al oxígeno e hidrógeno. El carbono se encuentra en la atmósfera en forma de Anhídrido Carbónico o Dióxido de Carbono, el cual es tomado por las plantas; y, junto con el agua, absorbida a través de las raíces; aquí es convertido en material orgánico pasando a ser componente de los seres vivos, ya sean en las mismas plantas o de los consumidores primarios o secundarios, siguiendo las bien conocidas cadenas alimenticias.
Ciclo del nitrógeno
El nitrógeno se encuentra en la atmósfera en forma de elemento gaseoso () N2y lo toman las bacterias fijadoras de este elemento y los transforman en Amoníaco (NH3) y sales de Amonio (NH4+), que pasan a constituir la capa orgánica del suelo (humus); de aquí se incorporan a las plantas a través de su metabolismo. Estas plantas constituyen un eslabón de una cadena alimenticia, lo que permite que el nitrógeno se incorpore a otros seres vivos, ya que una parte es excretado por ellos, y el resto, cuando llega el final de la vida de ese ser, las bacterias descomponedoras se encargan de devolver este material al ambiente, para entrar a formar parte nuevamente de los procesos metabólicos de las plantas, o regresarlo a la atmósfera como nitrógeno gaseoso. De esta forma se cierra el círculo.
Ciclo del fósforo
Las lluvias y el viento producen el desgaste y la descomposición de rocas en las que se encuentran pequeñas cantidades de fósforo; los ríos y los fertilizantes se encargan de enriquecer los suelos de compuestos fosfatados.
Origen Químico de la Vida
La teoría aceptada para explicar el origen de la vida es la que se basa en la hipótesis química expuesta por el ruso A. Oparin y el inglés Haldane en 1923.
Cuando la Tierra se formó hace unos 4.500 millones de años, era una inmensa bola incandescente en la que los distintos elementos se colocaron según su densidad, de forma que los más densos se hundieron hacia el interior de la Tierra y formaron el núcleo, y los más ligeros salieron hacia el exterior formando una capa gaseosa alrededor de la parte sólida, la protoatmósfera, en la que había gases como el metano, el amoníaco y el vapor de agua.
Estos gases estaban sometidos a intensas radiaciones ultravioletas (UV) provenientes del Sol y a fuertes descargas eléctricas que se daban en la propia atmósfera, como si fueran gigantescos relámpagos; por efecto de estas energías esos gases sencillos empezaron a reaccionar entre sí dando lugar a moléculas cada vez más complejas; al mismo tiempo la Tierra empezó a enfriarse, y comenzó a llover de forma torrencial y estas lluvias arrastraron las moléculas de la atmósfera hacia los primitivos mares que se iban formando.
Esos mares primitivos estaban muy calientes y este calor hizo que las moléculas siguieran reaccionando entre sí, apareciendo nuevas moléculas cada vez más complejas; Oparin llamó a estos mares cargados de moléculas el Caldo nutritivo o sopa primordial. Algunas de esas moléculas se unieron constituyendo unas asociaciones con forma de pequeñas esferas llamadas coacervados, que todavía no eran células.
Este proceso continuó hasta que apareció una molécula que fue capaz de dejar copias de sí misma, es decir, algo parecido a reproducirse; esta molécula sería algo similar a un ácido nucléico. Los coacervados que tenían el ácido nucleico empezaron a mantenerse en el medio aislándose para no reaccionar con otras moléculas, y finalmente empezarían a intercambiar materia y energía con el medio, dando lugar a primitivas células.
Estas primeras células se extenderían por los mares, dando comienzo un proceso que aún sigue funcionando hoy en día, el proceso de Evolución biológica, responsable de que a partir de seres vivos más sencillos vayan surgiendo seres vivos cada vez más complejos, y que es la causa de la gran diversidad de seres vivos que han poblado y pueblan actualmente la Tierra, lo que hoy llamamos la biodiversidad.
Hoy en día existe una variante de la teoría Química del origen de la vida que es la teoría del Origen Extraterrestre de la vida, que asume los principios de la teoría de Oparin con la diferencia de proponer que la molécula replicante, ese ácido nucleico primitivo capaz de autocopiarse, no surgió en los mares primordiales terrestres, sino que se originó en alguna nebulosa próxima a la Tierra o en la propia nebulosa que originó el Sistema Solar, y llegó a la Tierra en algún meteorito, integrándose en el proceso de evolución química que ya se daba en la Tierra. Esta teoría sustentada por científicos de la talla de Carl Sagan se basa en el descubrimiento extraterrestre de numerosas moléculas bioquímicas, tales como agua y aminoácidos, en las nubes gaseosas de algunas nebulosas.
Ecosistemas
Los ecosistemas son conjuntos formados por los seres vivos de un lugar, el medio físico en el que se asientan y las relaciones existentes entre estos elementos. Todos los ecosistemas evolucionan a través del tiempo. En ellos los seres vivos se relacionan entre sí para conseguir dos elementos esenciales para su supervivencia: la materia y la energía. La vida existe gracias a la materia y la energía, y a su continuo intercambio en los sistemas vivos (seres vivos y ecosistemas) de la biosfera. Los seres vivos intercambian materia y energía cada vez que se relacionan entre sí (por ejemplo, cuando se alimentan unos de otros o cuando una hembra amamanta a sus crías). También intercambian materia y energía con el medio físico en el que viven (por ejemplo, cuando transpiran o cuando depositan excrementos en el suelo). De este modo, renuevan su materia y realizan sus funciones vitales. Los ecosistemas funcionan como grandes sistemas vivos. En ellos, la energía no se crea ni se destruye, se transforma, y la materia sigue circuitos cerrados, es decir, se recicla. Los seres vivos que integran un ecosistema se agrupan según la manera que tienen de intercambiar materia y energía con el medio y con otros seres vivos. Estos grupos de seres vivos reciben el nombre de niveles tróficos. Así, por ejemplo, los herbívoros constituyen un nivel trófico de consumidores que consiguen de las plantas la materia y la energía que necesitan.
Sustancias químicas en las geósfera
Los materiales químicos se distribuyen y forman geosferas que pueden ser sólidas, liquidas o gaseosas: Litosfera, hidrosfera, atmósfera y biosfera.
- Litosfera: llamada también corteza terrestre, su capa mas superficial llamada suelo, esta conformada principalmente por Silicio (Si) y Aluminio (Al) y su capa más interna está formada por rocas de (Si) y magnesio (Mg). Se ha establecido que por debajo de esta hay una zona creciente en hierro (Fe) con una combinación de 0,8% de níquel (Ni).
- Hidrosfera: es la parte del planeta conformada por agua y cubre ¾ de la superpie terrestre, siendo la sustancia más abundante del planeta, en esta se encuentran las sales como el cloruro de potasio (NaCl) y gases disueltos como el oxigeno y el dióxido de carbono.
- Biosfera: es la parte donde existe la vida, la sustancia principal es el agua y en base a esto se realizan todos los procesos bioquímicos.
- Atmósfera: es la parte gaseosa del planeta, representa el 0,0001 de la masa terrestre, pero contiene el oxigeno necesario para la vida, el nitrógeno, dióxido de carbono, gases inertes, polvo, ozono, oxido de azufre, que están distribuidos en las diferentes capas de este. Troposfera que contiene el 90 % de los gases atmosféricos, luego la estratosfera, mesosfera, la ionosfera y la exosfera. La sustancias más abundantes son el nitrógeno y el oxígeno, dióxido de carbono, gases inertes y agua. Estos compuestos se dividen en 2:
- Constantes: como el nitrógeno y el oxigeno que nunca varían.
- Accidentales: los cuales siempre están presentes, pero cuya cantidad varia según el lugar y el tiempo, que son dióxido de carbono, polvo, agua y otros como óxido de azufre.
Intercambio de materia y energía
La materia viva se compone de alguno de los elementos químicos que existen: fundamentalmente carbono, oxígeno e hidrógeno y, en menor medida,nitrógeno, fósforo y azufre. En los organismos vivos la materia sigue un circuito abierto; es decir, la cantidad de materia que un ser vivo aporta al medio no es la misma que la que recibe de él. Los seres vivos son capaces de utilizar dos formas de energía: la energía lumínica y la energía química. La primera es la que procede de la radiación solar y la segunda es la que se obtiene de reacciones químicas (de la ruptura de enlaces químicos en los procesos de destrucción de moléculas). En los organismos vivos la energía también sigue un circuito abierto; por eso, la cantidad de energía que desprende un ser vivo no es la misma que la que recibe del medio.
Metabolismo
Con la materia y la energía que reciben del medio en el que viven, los seres vivos realizan su metabolismo y se transforman. En el metabolismo se destruyen unas estructuras y se crean otras nuevas mediante los siguientes procesos: Catabolismo: el catabolismo es el proceso por el que se destruyen estructuras mediante la degradación de moléculas por ruptura de enlaces químicos. En este proceso se consume materia y se genera energía.
Anabolismo: el anabolismo es el proceso por el que se crean estructuras. Se realiza al sintetizar moléculas mediante enlaces químicos. En este proceso se genera materia y se consume energía.
Seres heterótrofos y autótrofos
Dependiendo de la forma en que los seres vivos obtienen la materia y la energía se clasifican en:
- Heterótrofos: los seres heterótrofos se alimentan de otros seres vivos, y obtienen la materia y energía que necesitan a partir de la degradación de la materia orgánica de la que están formados.
- Autótrofos: los seres autótrofos no necesitan alimentarse de otros seres vivos, ya que obtienen la materia y la energía del medio físico. Se pueden dividir a su vez en:
1-.Seres fotosintéticos. Los árboles, los arbustos, las hierbas, las algas y algunas bacterias son seres fotosintéticos, porque fabrican materia orgánica a partir de materia inorgánica y energía lumínica mediante fotosíntesis.
2-.Seres quimiosintéticos. Algunas bacterias fabrican materia orgánica a partir de materia inorgánica y energía química, procedente de la transformación de compuestos inorgánicos.
Fotosíntesis
La fotosíntesis es un proceso en virtud del cual los organismos con clorofila, como las plantas verdes, las algas y algunas bacterias, capturan energía en forma de luz y la transforman en energía química. Prácticamente toda la energía que consume la vida de la biósfera terrestre —la zona del planeta en la cual hay vida— procede de la fotosíntesis. La fotosíntesis se realiza en dos etapas: una serie de reacciones que dependen de la luz y son independientes de la temperatura, y otra serie que dependen de la temperatura y son independientes de la luz. La velocidad de la primera etapa, llamada reacción lumínica, aumenta con la intensidad luminosa (dentro de ciertos límites), pero no con la temperatura. En la segunda etapa, llamada reacción en la oscuridad, la velocidad aumenta con la temperatura (dentro de ciertos límites), pero no con la intensidad luminosa.
Fase primaria o lumínica
La fase lumínica de la fotosíntesis es una etapa en la que se producen reacciones químicas con la ayuda de la luz solar y la clorofila. La clorofila es un compuesto orgánico, formado por moléculas que contienen átomos de carbono, de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y magnesio. Estos elementos se organizan en una estructura especial: el átomo demagnesio se sitúa en el centro rodeado de todos los demás átomos. La clorofila capta la luz solar, y provoca el rompimiento de la molécula de agua (H2O), separando el hidrógeno (H) del oxígeno (O); es decir, el enlace químico que mantiene unidos al hidrógeno y al oxígeno de la molécula de agua, se rompe por efecto de la luz. El proceso genera oxígeno gaseoso que se libera al ambiente, y la energía no utilizada es almacenada en moléculas especiales llamadas ATP. En consecuencia, cada vez que la luz esté presente, se desencadenará en la planta el proceso descrito.
Fase secundaria u oscura
La fase oscura de la fotosíntesis es una etapa en la que no se necesita la luz, aunque también se realiza en su presencia. Ocurre en los cloroplastos y depende directamente de los productos obtenidos en la fase lumínica. En esta fase, el hidrógeno formado en la fase anterior se suma al dióxido de carbono gaseoso (CO2) presente en el aire, dando como resultado la producción de compuestos orgánicos, principalmente carbohidratos; es decir, compuestos cuyas moléculas contienen carbono, hidrógeno y oxígeno. Dicho proceso se desencadena gracias a una energía almacenada en moléculas de ATP que da como resultado el carbohidrato llamado glucosa (C6H12O6), un tipo de compuesto similar al azúcar, y moléculas de agua como desecho. Después de la formación de glucosa, ocurre una secuencia de otras reacciones químicas que dan lugar a la formación de almidón y varios carbohidratos más. A partir de estos productos, la planta elabora lípidos y proteínas necesarios para la formación del tejido vegetal, lo que produce el crecimiento. Cada uno de estos procesos no requiere de la participación de luz ni de la clorofila, y por ende se realiza durante el día y la noche. Por ejemplo, el almidón producido se mezcla con el agua presente en las hojas y es absorbido por unos tubitos minúsculos que existen en el tallo de la planta y, a través de éstos, es transportado hasta la raíz donde se almacena. Este almidón es utilizado para fabricar celulosa, el principal constituyente de la madera. El resultado final, y el más trascendental, es que la planta guarda en su interior la energía que proviene del Sol. Esta condición es la razón de la existencia del mundo vegetal porque constituye la base energética de los demás seres vivientes. Por una parte, las plantas son para los animales fuente de alimentación, y, por otra, mantienen constante la cantidad necesaria de oxígeno en la atmósfera permitiendo que los seres vivos puedan obtener así la energía necesaria para sus actividades. Si los químicos lograran reproducir la fotosíntesis por medios artificiales, se abriría la posibilidad de capturar energía solar a gran escala. En la actualidad se trabaja mucho en este tipo de investigación. Todavía no se ha logrado sintetizar una molécula artificial que se mantenga polarizada durante un tiempo suficiente para reaccionar de forma útil con otras moléculas, pero las perspectivas son prometedoras.
Importancia biológica de la fotosíntesis
La fotosíntesis es seguramente el proceso bioquímico más importante de la biósfera por varios motivos:
1. La síntesis de materia orgánica a partir de la materia inorgánica se realiza fundamentalmente mediante la fotosíntesis; luego irá pasando de unos seres vivos a otros mediante las cadenas tróficas, para ser transformada en materia propia por los diferentes seres vivos. 2. Produce la transformación de la energía luminosa en energía química, necesaria y utilizada por los seres vivos 3. En la fotosíntesis se libera oxígeno, que será utilizado en la respiración aerobia como oxidante. 4. La fotosíntesis fue causante del cambio producido en la atmósfera primitiva, que era anaerobia y reductora. 5. De la fotosíntesis depende también la energía almacenada en combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural. 6. El equilibrio necesario entre seres autótrofos y heterótrofos no sería posible sin la fotosíntesis. Se puede concluir que la diversidad de la vida existente en la Tierra depende principalmente de la fotosíntesis.
Ecosistema
El ecosistema es un sistema vivo en el que circulan la materia y la energía, pero ¿cómo lo hacen? La materia de un ecosistema sigue una circulación cerrada: se recicla (en los seres vivos la materia sigue una circulación abierta). Por eso se habla de ciclo de la materia. La energía de un ecosistema sigue, en cambio, una circulación abierta: el ecosistema pierde energía. Por eso no se habla de ciclo, sino de flujo de energía.
Cadena alimentaria
En la biocenosis, los seres vivos se organizan en grupos. Los seres vivos que pertenecen al mismo grupo tienen algo en común: obtienen la materia y la energía de forma semejante. Estos grupos o niveles tróficos forman los eslabones de una cadena: la cadena trófica o alimentaria. Cuando se pasa de un nivel a otro superior, la materia aumenta su complejidad y la energía se va perdiendo. Debido a esta pérdida energética, sólo existen entre dos y cinco niveles tróficos en un ecosistema.
Circulación de materia
En el planeta Tierra la materia circula de forma cerrada, siguiendo los llamados ciclos biogeoquímicos. Hay dos clases de ciclos:
- Gaseosos: la materia, al circular, pasa por la atmósfera. Los ciclos del agua, del carbono, del nitrógeno y del azufre son ciclos gaseosos.
- Sedimentarios: la materia circula entre el medio acuático, el medio terrestre y a través de la cadena alimentaria de un modo similar al de los ciclos gaseosos. La gran diferencia es que no atraviesa ninguna fase gaseosa. Elazufre sigue este ciclo.
