Leccion 1: Flujo de Materia y Energia en el Ecosistemas PDF

Lección 1 ¿Cómo circulan la materia y la energía en el ecosistema? Las poblaciones pueden clasificarse en niveles tróficos, según cómo obtienen su alimento. A continuación, se señala la alimentación de algunas especies de un ecosistema del norte de Chile. Cóndor Carroña. En todo ecosistema es pos...

Lección 1 ¿Cómo circulan la materia y la energía en el ecosistema? Las poblaciones pueden clasificarse en niveles tróficos, según cómo obtienen su alimento. A continuación, se señala la alimentación de algunas especies de un ecosistema del norte de Chile. Cóndor Carroña. En todo ecosistema es posible clasificar las poblaciones en niveles tróficos, según cómo obtienen su alimento. Murciélago orejudo Insectos. Los productores, son organismos autótrofos (elaboran sus propios nutrientes). Constituyen el primer nivel trófico. Libélula Otros insectos. Guanaco Gramíneas. Descomponedores. Organismos heterótrofos que se alimentan de restos de seres de cualquier nivel trófico. Chinchilla Gramíneas. Lagarto Insectos. 86 Unidad 3 • ¿Qué ocurre con la materia y la energía en los ecosistemas? Evaluación inicial ¿Qué sé? 1. ¿De dónde provienen la energía y la materia que se transfiere entre los organismos en el ecosistema? 2. ¿Dónde se inician y finalizan estas relaciones alimentarias entre las poblaciones biológicas? 3. ¿Qué niveles tróficos identificas en la imagen? Puma Lagartos. Roedores. Guanacos. Búho Roedores. Reptiles. Algunos invertebrados. Consumidores. Organismos heterótrofos, es decir, se alimentan de otros seres vivos o de sus partes. Estos pueden ser, principalmente, primarios, secundarios o terciarios. Cada uno ocupa el segundo, tercer y cuarto nivel trófico, respectivamente. Polluelos de búho Roedores. Reptiles. Algunos invertebrados. Zorro culpeo Lagartos. Roedores. Culebra Roedores. Polluelos de búho. Los organismos omnívoros, se alimentan tanto de productores como de consumidores. Ratón Semillas. Frutos. Pequeños artrópodos. Lección 1 • ¿Cómo circulan la materia y la energía en el ecosistema? 87 ¿Cómo se representan las interacciones alimentarias en el ecosistema? Focaliza ¿De qué organismos provienen los alimentos que ingeriste en tu almuerzo? ¿Qué tipo de nutrientes necesitas diariamente? Explora Los organismos autótrofos producen compuestos orgánicos complejos a partir de sustancias simples usando energía lumínica (fotosíntesis) o producida en reacciones inorgánicas (quimiosíntesis). En cambio, los heterótrofos obtienen su energía de la degradación de moléculas orgánicas que forman parte de los organismos de los cuales se alimentan. 1. ¿Por qué las relaciones alimentarias son fundamentales en el ecosistema? 2. ¿Cómo se representan estas relaciones? Reflexiona Tipo de organismo Nivel trófico La materia y la energía empiezan a circular en el ecosistema a partir de los productores. En las comunidades biológicas se producen numerosas relaciones de alimentación entre seres vivos de distintas poblaciones. Una forma de representarlas es mediante cadenas tróficas. Productores Consumidor primario Fitoplancton Zooplancton Consumidor secundario Cadenas tróficas. Representan el flujo de energía y materia entre poblaciones de organismos de manera lineal. Comienzan con un productor y terminan con un descomponedor. Las flechas indican la dirección en la que fluyen la materia y la energía. Consumidor terciario Peces Consumidor cuaternario Descomponedor Hongos y bacterias En los ecosistemas marinos, los principales productores son fitoplancton. 88 Unidad 3 • ¿Qué ocurre con la materia y la energía en los ecosistemas? Redes o tramas tróficas. En la naturaleza, las relaciones tróficas no son lineales: los productores pueden pertenecer a varias cadenas tróficas, y los consumidores secundarios y terciarios se alimentan de diversos organismos. Por esta razón, para que la representación se asemeje más a lo real, se utilizan las redes o tramas tróficas, que corresponden a un conjunto de cadenas tróficas interrelacionadas. Tiburón Fitoplancton Tortuga marina Zooplancton Pez loro Medusa Pez ballesta Esponja Trama trófica en un arrecife de coral. Algas Crustáceo Interpreto y predigo Aplica La imagen representa una red trófica de un ecosistema marino: 1. Explica las relaciones tróficas representadas. 2. Identifica los niveles tróficos indicando qué organismos pertenecen a cada uno. ¿Hay algunos que pertenezcan a más de un nivel?, ¿cuáles? 3. ¿Cuál es la fuente de energía inicial de esta red? 4. Predice las consecuencias que produciría la desaparición del tiburón y la medusa, de esa red trófica. Los líquenes corresponden a simbiosis extrema entre hongos y algas (o cianobacterias). El hongo proporciona anclaje a sustratos, como rocas o troncos, y puede captar nutrientes desde el entorno. Las algas y cianobacterias realizan fotosíntesis y proveen carbohidratos. Elabora una cadena alimentaria que incluya líquenes. Considera que hay animales como el huemul que se alimentan de ellos. Lección 1 • ¿Cómo circulan la materia y la energía en el ecosistema? 89 ¿Cómo fluyen la materia y la energía en el ecosistema? Energía proveniente del Sol Focaliza Calor Calor Calor ¿De dónde proviene la energía que necesita tu cuerpo para «funcionar» todos los días? Explora Primer nivel trófico: productores La imagen representa el flujo de materia y energía en una cadena trófica. 1. Interpreta qué representan las flechas que dicen «calor». Segundo nivel trófico: consumidores primarios Tercer nivel trófico: consumidores secundarios Calor 2. Si la energía que ingresa proviene solamente del Sol, describe cómo va cambiando la energía disponible en cada nivel trófico. Flujo de energía Flujo de materia Reflexiona Descomponedores Las pirámides ecológicas son modelos que representan las relaciones entre los niveles tróficos. Los productores constituyen la base y los niveles sucesivos son los siguientes pisos de esta. Pirámide de número. Muestra la cantidad de seres vivos en cada nivel trófico en un tiempo y en una superficie determinados. La forma típica de pirámide, con la base ancha y el vértice estrecho, representa cadenas alimentarias en las que los productores son plantas pequeñas y los consumidores, animales relativamente grandes (A). Si el productor es uno solo, la forma es diferente (B). B A Aguilucho Consumidores terciarios Consumidores terciarios Queltehue Consumidores secundarios Consumidores secundarios Mantis Araña pollito Consumidores primarios Langosta Consumidores primarios Hemíptero Productores Productores Peumo Cantidad de individuos Pasto Cantidad de individuos Fuente: Curtis, H., Barnes, N., Schnek, A. y Massarini, A. (2016). Invitación a la Biología en contexto social (7ª ed.). Médica Panamericana. (Adaptación). 90 Unidad 3 • ¿Qué ocurre con la materia y la energía en los ecosistemas? Pirámide de biomasa. Representa la cantidad de materia orgánica (biomasa) de cada nivel trófico en un momento determinado. Se expresa en gramos por metro cuadrado (g/m2). En ecosistemas terrestres se observa una disminución desde los productores, pero puede ser invertida en ecosistemas oceánicos. Consumidores cuaternarios (15 g/m2) Consumidores terciarios (30 g/m2) Consumidores secundarios (120 g/m2) Consumidores primarios (400 g/m2) Ratón Consumidores primarios (1 200 kcal/día x m2) Productores (12 000 kcal/día x m2) Serpientes Ranas Langostas Productores (850 g/m2) Lechuza Consumidores secundarios (120 kcal/día x m2) Halcón Hierba Sintetizo 1. ¿Por qué a medida que se asciende en los niveles tróficos hay menos organismos y menos biomasa en ecosistemas terrestres? 2. ¿De qué forma la proporción de energía que llega a los últimos niveles de una cadena trófica limita la existencia de más niveles tróficos? Hierba Pirámide de energía. Muestran el flujo de energía entre los niveles tróficos. Cada escalón representa la energía almacenada en un nivel trófico en un tiempo determinado, cuyos valores se expresan en unidades de energía (kJ o kcal) por unidad de superficie o volumen y por unidad de tiempo. En cada eslabón de una cadena alimentaria disminuye la energía utilizable: cada nivel trófico solo aprovecha aproximadamente el 10 % de la energía disponible en el nivel trófico anterior. Esto se debe principalmente a la disipación de calor desde el cuerpo, al uso de energía para las funciones orgánicas y a la no asimilación de ciertos alimentos, por ejemplo, celulosa y secciones leñosas de las plantas. Aplica En Chile existen zonas geográficas donde las estaciones del año son muy marcadas. 1. ¿Cómo podrían afectar los cambios estacionales a las pirámides de un ecosistema? Explica dando dos ejemplos. 2. En el caso del fitoplancton, ¿cómo afectarían los cambios de temperatura y luz solar a la pirámide de biomasa? Lección 1 • ¿Cómo circulan la materia y la energía en el ecosistema? 91 ¿Cómo circulan algunos materiales de interés biológico? Focaliza La energía sigue un recorrido unidireccional a través de las cadenas y tramas tróficas. ¿Ocurre lo mismo con la materia?, ¿por qué? Explora La mayoría de los seres vivos están integrados en un alto porcentaje por agua, pudiendo llegar hasta el 90 % en algunos. En los mamíferos, el promedio es de alrededor de 60 % y varía entre diferentes tejidos. 1. ¿De dónde proviene el agua que forma el cuerpo de los seres vivos? 2. ¿Qué ocurre con el agua que eliminamos de nuestros cuerpos? Ciclo del agua. La circulación del agua en la naturaleza se denomina ciclo del agua o ciclo hidrológico, y en este participan los seres vivos y el ambiente. Este ciclo se produce de manera constante y es posible observar el agua en sus diferentes estados. • Observa y analiza el ciclo del agua. Identifica cada etapa e indica los cambios de estado que ocurren. Condensación. El agua gaseosa se enfría y se transforma en gotas que se observan como nubes. Precipitación. Al acumular gotas de agua, las nubes se saturan y se produce la lluvia (como agua líquida, nieve o granizo). Escorrentía superficial. Corresponde al flujo del agua lluvia, nieve o granizo sobre la tierra. Infiltración y percolación. El agua es absorbida por el suelo, formando reservas de agua subterránea (napas). Evaporación. Las aguas superficiales de ríos, lagos y océanos se transforman en vapor, y este sube a la atmósfera. 92 Transpiración. Todos los seres vivos participan en este proceso, que también permite la evaporación del agua hacia la atmósfera. Unidad 3 • ¿Qué ocurre con la materia y la energía en los ecosistemas? Reflexiona Además del agua, otras sustancias fluyen cíclicamente entre los medios biótico y abiótico a través de los ciclos biogeoquímicos. Elementos sedimentarios, como el azufre y el fósforo, circulan por la litosfera, los seres vivos y la hidrosfera. Su reutilización en general es muy lenta (años). Gases como el oxígeno, el nitrógeno y los gases del carbono circulan por la atmósfera y los seres vivos, y se reciclan en poco tiempo (días-horas). Ciclo del carbono y del oxígeno. El carbono es el principal componente de las moléculas orgánicas, como lípidos, hidratos de carbono y proteínas, que son esenciales para los seres vivos. Asimismo, el oxígeno forma parte de algunas moléculas orgánicas e inorgánicas, y es esencial para la respiración de los organismos, por lo que sin este elemento no podría existir la vida. Fotosíntesis. Los autótrofos utilizan el CO2 (dióxido de carbono) para sintetizar sus nutrientes (glucosa) y liberan O2 (oxígeno) a la atmósfera. Cadenas tróficas. El carbono es captado por los autótrofos y pasa a formar parte de sus tejidos, luego se transfiere a los consumidores en la cadena alimentaria. De esta forma, los organismos obtienen este elemento y lo utilizan para formar sus estructuras. Respiración celular. Los seres vivos aeróbicos utilizan el O2 y la glucosa para obtener energía. Un producto de esta reacción es el CO2, que es devuelto al medioambiente. Combustión. Este proceso, generado en la actividad volcánica, los incendios forestales y el uso de combustibles fósiles, utiliza O2 como reactante y libera carbono a la atmósfera en forma de CO2 y CO. Descomposición. El carbono presente en organismos muertos es aprovechado por los descomponedores. Una parte de este carbono es depositado en el suelo y la otra es liberada al aire en forma de CO2. Infiero Los ciclos del carbono y del oxígeno están muy asociados con distintos procesos en los seres vivos. Realiza un esquema simple para explicar cómo se relacionan la fotosíntesis y la respiración celular. Lección 1 • ¿Cómo circulan la materia y la energía en el ecosistema? 93 Ciclo del nitrógeno. El nitrógeno constituye el 78 % de los gases de la atmósfera y forma parte de la estructura de proteínas y ácidos nucleicos, como el ADN. La mayoría de los organismos no puede captar el nitrógeno atmosférico directamente, pero sí luego de su transformación. 3 Asimilación. El nitrato del suelo puede ser absorbido por los productores y transferirse a los consumidores en las cadenas tróficas. 4 Nitrificación. Oxidación del amoníaco o amonio por acción de bacterias nitrificantes. Primero, son transformados en nitritos (NO2–) y luego oxidado a nitrato (NO3–). 5 Desnitrificación. Bacterias desnitrificantes transforman el nitrato a nitrógeno gaseoso (N2), devolviéndolo a la atmósfera. 1 Fijación del nitrógeno. Las bacterias fijadoras de nitrógeno transforman el nitrógeno gaseoso (N2) en amoníaco (NH3). También se fija en forma de nitrito (NO2–) o nitrato (NO3–) mediante el volcanismo y descargas eléctricas. 2 Amonificación. Los descomponedores del suelo degradan excreciones animales o restos organismos muertos, liberando amoníaco (NH3) o amonio (NH4+). Nitrógeno atmosférico (N ) 1 5 3 Bacterias Nitratos de nitrogeno en raíces Bacterias Descomponedores 2 Nitritos de nitrogeno en suelo Amonio 4 94 Unidad 3 • ¿Qué ocurre con la materia y la energía en los ecosistemas? Bacterias Las fuentes principales de fósforo son las carnes rojas y blancas, huevos, lácteos, frutos secos y legumbres. Ciclo del fósforo. Este elemento forma parte esencial de todos los seres vivos, pues constituye la estructura de los ácidos nucleicos (ADN y ARN), y de muchas proteínas. Además, es el componente principal del ATP (molécula que almacena energía) y forma parte de la membrana plasmática, de los huesos y dientes en animales. En las plantas, su concentración es baja, encontrándose principalmente en las semillas. Al morir los seres vivos, los descomponedores devuelven el fósforo inorgánico al suelo y los productores pueden absorberlo. Aplica Realiza un esquema que represente el ciclo del fósforo a partir de la siguiente información. Puedes usar imágenes como en los modelos de ciclos biogeoquímicos vistos. • El fósforo forma parte de los componentes geológicos, constituyendo las rocas y el suelo. La desintegración de la roca por acción de agentes atmosféricos (humedad, temperatura) y biológicos (descomponedores) libera fósforo que entra al ciclo. • Los productores absorben fósforo inorgánico y lo transforman en moléculas orgánicas. En las cadenas tróficas, el fósforo absorbido por los productores queda a disposición de los consumidores. • Cuando las plantas y los animales excretan desechos o mueren, los fosfatos pueden ser absorbidos por los organismos detritívoros o descomponedores que reintegran el fósforo al suelo. • El fósforo también es liberado en las cenizas volcánicas y es absorbido por las plantas o arrastrado por el agua de ríos hasta llegar al fondo del mar, donde vuelve a formar parte de rocas, que son reservas de fósforo. • Parte del fósforo que es arrastrado hacia el mar es absorbido por el plancton. Así ingresa a las cadenas tróficas marinas. Lección 1 • ¿Cómo circulan la materia y la energía en el ecosistema? 95 Ciencia, tecnología, sociedad y ambiente Bioacumulación y calentamiento global La bioacumulación es la acumulación gradual de sustancias, como pesticidas y otros compuestos químicos en los organismos. La bioacumulación aumenta a lo largo de cadenas tróficas extensas, pues los consumidores van almacenando sustancias tóxicas presentes en organismos de niveles tróficos previos. Humanos Consumidores terciarios Consumidores secundarios Un estudio reciente abordó la Consumidores bioacumulación del mercurio Fitoplancton primarios (Hg), un metal que en su Concentración de mercurio estado inorgánico proviene de Agua actividades humanas y de la actividad volcánica. Un 80 % del mercurio emitido a la atmósfera se deposita en el océano, donde parte es convertido por en la actividad de los peces, que consumen más microorganismos en metilmercurio (Me-Hg), alimento y acumulan más mercurio. Por otra potente neurotóxico. De esta manera, este parte, la pesca intensiva produce cambios en las compuesto entra en la cadena alimentaria cadenas tróficas que, en este caso, aumentan la marina, y se ha observado que en peces de bioacumulación de mercurio. amplio consumo humano (atún, bacalao y pez espada, entre otros) su concentración se Los investigadores buscan ampliar estos estudios amplifica un millón de veces o más. a diversos ecosistemas marinos y vincularlos con la salud pública, pues la combinación de factores Además, se ha demostrado que el como el cambio climático, la sobrepesca y la calentamiento global y las prácticas contaminación pueden transformarse en un riesgo pesqueras están provocando un aumento para la salud humana. de los niveles de mercurio en el mar, a pesar de que su emisión ha disminuido debido a convenios internacionales. El aumento en la temperatura del agua produce un incremento Fuente: Schartup, A., Thackray, C., Qureshi, A., Dassuncao, C., Gillespie, K. Hanke, A. y Sunderland, E. (2019, 7 de agosto). Climate change and overfishing increase neurotoxicant in marine predators. Nature, 572(7771), 648-650. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1468-9 1. Investiga cuáles son las actividades humanas que liberan mercurio. 2. Explica por qué a pesar de que se ha regulado el uso de mercurio en actividades industriales este sigue presente en las redes tróficas. 3. A tu juicio, ¿qué relevancia tienen investigaciones como la descrita? Fundamenta tu opinión. 96 Unidad 3 • ¿Qué ocurre con la materia y la energía en los ecosistemas? Actividad final Modelo de influencia humana en ciclo del agua En grupo, realicen la siguiente actividad. Esta les permitirá analizar, mediante la construcción de un modelo, un efecto en el ciclo de agua de la contaminación con sustancias no solubles. Consigan los materiales necesarios para los montajes: 1. ¿Qué representa el modelo? ¿Qué situación se prueba en cada montaje? 2. Predigan lo que podría suceder en cada montaje y registren sus ideas. 3. Observen los resultados después de una hora. Describan y expliquen las diferencias entre ambos montajes. 4. Comparen sus predicciones con las evidencias. Registren diferencias y semejanzas. Lámpara Cada moneda debe estar situada sobre el film plástico que cubre a cada recipiente. Film plástico Moneda Vaso pequeño con tierra Agua a unos 60 ºC que no supere la altura del vaso Capa de aceite (0,5 cm aproximadamente) 5. Identifiquen y expliquen qué etapas del ciclo del agua son afectadas. 6. Relacionen el modelo con alguna situación ocasionada por el ser humano que altere grandes masas de agua. Describan cómo se vería afectado el ecosistema marino. ¿Cómo voy? Evaluación de proceso y progreso 1. Un estudiante analizó los niveles involucrados en la cadena trófica que se sustenta en un rosal de un jardín. Los datos obtenidos respecto del número de organismos y su masa se muestran en la tabla. El rosal vive dentro de un área de 1 m2. Masa individual Nº de individuos aproximada (g) aproximados 1 Productor: rosal 4 000,000 Consumidor primario: pulgón 0,003 50 000 Consumidor secundario: chinita 0,030 2 000 Consumidor terciario: gorrión 25,000 2 Nivel trófico a. Calcula la masa de cada nivel trófico. Copia la tabla y agrega la información en ella. b. Analiza los datos y dibuja de manera aproximada (no a escala exacta) la pirámide de número. ¿Qué forma resulta? c. Dibuja de manera aproximada la pirámide de masa. ¿Qué forma tiene? d. ¿Cuál de las dos pirámides se asemejará más a la pirámide de energía? e. Elige una de las pirámides y modélala usando materiales de desecho, como cajas de cartón. ¿Cuál presenta proporciones más fáciles de modelar? ¿Cómo aprendo? • ¿Soy capaz de explicar y representar cadenas y tramas tróficas? ¿Qué estrategia de representación me resulta más útil: esquemas, dibujos o modelos físicos? • ¿Qué ciclo biogeoquímico, aparte del ciclo del agua, me gustaría modelar?, ¿qué materiales usaría? Lección 1 • ¿Cómo circulan la materia y la energía en el ecosistema? 97 Lección 2 ¿Cómo se relacionan fotosíntesis y respiración celular? En la tierra primitiva... 4 000 millones de años atrás. cuando se inició la vida, la atmósfera era diferente, las primeras células probablemente eran heterótrofas y tomaban los nutrientes desde el medio: la sopa primitiva. 2 700 millones de años atrás. surgieron las bacterias fotosintéticas, capaces de fijar dióxido de carbono para elaborar azúcar. Ellas empezaron a liberar oxígeno al agua. 2 400 a 2 000 millones de años atrás. el oxígeno acumulado resultó tóxico para la mayor parte de las células. las bacterias fotosintéticas y las consumidoras de oxígeno se multiplicaron. las bacterias anaeróbicas (que no requieren oxígeno) quedaron confinadas a ambientes donde el oxígeno no entraba. 98 Unidad 3 • ¿Qué ocurre con la materia y la energía en los ecosistemas? 2 100 millones de años atrás. algunas de las bacterias consumidoras de oxígeno fueron “tragadas” por eucariontes primitivos y se transformaron en mitocondrias. luego, algunas de estas células también engulleron bacterias fotosintéticas, las que se transformaron en cloroplastos. cloroplastos y mitocondrias se transformaron en organelos fundamentales para la vida en la tierra. ¿Qué sé? Evaluación inicial 1. ¿Qué es la fotosíntesis y qué importancia tiene para los ecosistemas? 2. Averigua cómo se llama la teoría que plantea este origen de cloroplastos y mitocondrias y coméntala en clase. Lección 2 • ¿Cómo se relacionan fotosíntesis y respiración celular? 99 ¿Cómo se genera y se utiliza la energía en las células eucariontes? Focaliza Explora Analiza los esquemas que resumen los procesos de Las células eucariontes presentan núcleo y organelos, fotosíntesis y respiración celular. ¿En qué se parecen y como los cloroplastos presentes en eucariontes en qué se diferencian las reacciones químicas? fotosintéticos, y la mitocondrias que están en todos los eucariontes. ¿Cómo se complementan las Estroma funciones de estos organelos? Espacio interno del cloroplasto donde ocurre la fase independiente de la luz de la fotosíntesis. Fotosíntesis. Proceso anabólico, realizado por organismos autótrofos, en el que la energía proveniente del Sol es utilizada para sintetizar glucosa a partir de sustancias inorgánicas. En las plantas ocurre en las estructuras verdes, principalmente las hojas, cuyas células poseen gran cantidad de cloroplastos. Estos contienen pigmentos que absorben la luz, y el más importante es la clorofila. En la ecuación se representa la reacción química general de la fotosíntesis: Reactantes 6 CO2 + 6 H2O Las moléculas de dióxido de carbono presentes en la atmósfera son utilizadas por la planta para la síntesis de glucosa. Las moléculas de agua se obtienen del suelo gracias a la absorción que realizan las raíces. Tilacoides Son las membranas en las que ocurre la fase dependiente de la luz de la fotosíntesis. Energía lumínica La energía lumínica que proviene del Sol provee la energía para que ocurra esta reacción. Productos C6H12O6 + 6 O2 La glucosa obtenida está constituida por átomos de carbono y oxígeno provenientes del dióxido de carbono, y por átomos de hidrógeno, de las moléculas de agua. El oxígeno liberado proviene de moléculas de agua. El proceso fotosintético consiste en dos fases Fase dependiente de la luz o lumínica. La luz es captada por la clorofila. Después de una serie de reacciones se forman 18 moléculas de ATP, que serán empleadas en la siguiente fase. En estas reacciones se libera oxígeno. 100 Unidad 3 • ¿Qué ocurre con la materia y la energía en los ecosistemas? Fase independiente de la luz o ciclo de Calvin. La energía producida en la fase lumínica es empleada para sintetizar materia orgánica (glucosa y otras moléculas) a partir de dióxido de carbono y agua provenientes del ambiente. Respiración celular. Proceso catabólico por el cual los seres vivos obtienen energía en forma de ATP a partir de materia orgánica, como la glucosa, en presencia de oxígeno. Los organismos autótrofos y heterótrofos realizan respiración celular. La diferencia es que los autótrofos generan su propia materia orgánica, en cambio los heterótrofos necesitan obtenerla desde una fuente externa. Cresta mitocondrial Matriz mitocondrial Membrana interna Membrana externa Espacio intermembranas Una parte del proceso ocurre en el citoplasma celular y la otra, en las mitocondrias. La siguiente ecuación representa la reacción química general de la respiración celular: En la matriz mitocondrial y en la membrana interna se llevan a cabo etapas de la respiración celular. Reactantes C6H12O6 + 6 O2 Una molécula de glucosa necesita seis moléculas de oxígeno molecular provenientes del aire para que, mediante una serie de reacciones químicas, se transforme en sustancias más simples. En esta reacción se libera energía. Libera energía La energía que se libera en esta reacción catabólica lo hace en forma de moléculas de ATP y calor. Productos 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP El dióxido de carbono se forma a partir de una serie de reacciones químicas de las que se obtienen los átomos de carbono, producto de la ruptura de la molécula de glucosa. Reflexiona Durante la fotosíntesis, la energía lumínica es convertida en energía química que es almacenada en moléculas orgánicas como la glucosa. La fotosíntesis es el primer paso del flujo de energía en el ecosistema y sustenta a los autótrofos que la realizan, y de forma indirecta, a los heterótrofos que integran la trama trófica. Por otro lado, a partir de la respiración celular se obtiene energía proveniente de la degradación de compuestos orgánicos como la glucosa. Aplica Construye una tabla comparativa entre fotosíntesis y respiración celular considerando estos criterios: estructura celular donde ocurre, reactantes, productos, tipo de energía entrante y saliente. Las moléculas de agua obtenidas se forman a partir de los átomos de hidrógeno provenientes de la molécula de glucosa degradada y de los átomos de oxígeno del aire respirado. Vocabulario Reacción anabólica. Reacción de síntesis de sustancias en la que se consume energía. Reacción catabólica. Reacción degradativa en la que se libera energía. Anabolismo y catabolismo son las partes en las que se divide el metabolismo. Lección 2 • ¿Cómo se relacionan fotosíntesis y respiración celular? 101 ¿Cómo se relacionan fotosíntesis y respiración celular en los ecosistemas? Focaliza ¿De dónde proviene la energía química que circula en el ecosistema? ¿Qué proceso transforma la energía lumínica en química? Luz solar: 471 • 106 cal Energía no utilizada: 465 • 106 cal Explora El esquema lateral representa la cantidad de energía involucrada en el crecimiento de un metro cuadrado de plantas. 1. ¿Qué unidad de medida se usa para la energía? Energía asimilada en la fotosíntesis: 5,83 • 106 cal 2. ¿Cuánta energía lumínica estaba disponible en esta superficie? 3. ¿Por qué no se utilizó toda la energía disponible? 4. ¿Cuánta energía se empleó en la respiración celular? 5. ¿Cuánta energía quedó disponible para el siguiente nivel trófico? Energía usada en la respiración: 0,876 • 106 cal Reflexiona La cantidad de energía química fijada por los organismos autótrofos mediante la fotosíntesis durante un tiempo determinado, en una superficie dada, se denomina productividad primaria bruta (PPB). Como las plantas también usan energía en la respiración celular, queda solo una parte disponible para los consumidores primarios, lo que se llama productividad primaria neta (PPN). Esto se puede representar por medio de la siguiente ecuación: PPN = PPB – respiración celular Esta diferencia entre la energía asimilada y la que queda disponible para el siguiente nivel se repite en todos los niveles tróficos. Para los consumidores, se habla de productividad secundaria. Esto explica en parte las pirámides de energía vistas en la Lección 2. 102 Unidad 3 • ¿Qué ocurre con la materia y la energía en los ecosistemas? Mientras más energía gasta un organismo, más nutrientes deberá consumir. El colibrí consume una enorme cantidad de energía para volar, la que obtiene del néctar de las flores. Productividad en ecosistemas marinos. Aunque los ecosistemas marinos presentan menor productividad primaria neta por superficie que la selva tropical, su contribución a la productividad del planeta es equivalente a esta, dada su gran extensión. Sin embargo, un estudio publicado en la revista Science predice que en el año 2300 las condiciones meteorológicas y oceanográficas habrán cambiado tanto, que causarán efectos negativos en la productividad marina. El aumento de la temperatura de los océanos causaría la redistribución de nutrientes y la disminución de la productividad primaria en más de un 20 % a nivel mundial y 60 % en el Atlántico Norte. La luz penetra en el mar hasta una profundidad máxima de 200 m. En la mitad superior habita el fitoplancton marino, que es la base de la trama trófica del mar. 15 5 15 0 10 -5 -10 5 Temperatura (°C) 20 10 PPN Ago. -sept. Jul.-ago. Jun.-jul. May.-jun. Abr.-may. Mar.-abr. Feb.-mar. -20 Tiempo (meses) Dic.-feb. -15 Nov.-dic. 2. ¿Por qué se produce esa relación entre las variables? 25 Oct.-nov. 1. Analiza el gráfico y explica cómo la temperatura puede afectar la productividad de un ecosistema. 20 Sep.-oct. La productividad de un ecosistema está determinada por la eficacia de los autótrofos para generar materia y energía. Por ende, los factores que afectan la fotosíntesis son los mismos que influyen en la productividad de un ecosistema. GRÁFICO 1 Comportamiento de la PPN según temperatura PPN (kg/ha * día) Aplica 0 Temperatura Fuente: Cerutti, A., Mónaco, N., Rosa, M. y Santa, V. (2017, 28 de febrero). Relación entre biomasa aérea y producción primaria neta con las variaciones estacionales de precipitaciones y temperaturas en pastizales del sur de la provincia de Córdoba. European Scientific Journal 13(5), 117-133. https://doi.org/10.19044/esj.2017.v13n5p117 Lección 2 • ¿Cómo se relacionan fotosíntesis y respiración celular? 103 Ciencia, tecnología, sociedad y ambiente Tamaño y productividad en uno de los ecosistemas más complejos del mundo Un estuario es la desembocadura de un río en el mar y en ellos se intercambia agua salada y dulce. La mezcla de estas aguas provee de altos niveles de nutrientes, tanto en el agua como en los sedimentos, lo que convierte a los estuarios en uno de los ecosistemas más productivos. En un estudio publicado en 2018, se analizaron resultados de varias investigaciones sobre la magnitud y dirección del flujo de carbono en ecosistemas de estuarios. Así, se logró identificar que la productividad bruta y la respiración celular determinan patrones que dependen de su tamaño. Los datos indicaban que el metabolismo del estuario varía de manera predecible con el tamaño del ecosistema: los estuarios más grandes tienen un metabolismo específico del ecosistema más bajo que los más pequeños. La principal conclusión de este estudio fue que el tiempo de residencia del agua nueva y rica en nutrientes es fundamental para los patrones observados. Mientras más grandes son los estuarios, la velocidad con la que cambian los nutrientes es menor. Un patrón que llamó la atención de los investigadores fue que el metabolismo del ecosistema variaba con el volumen de manera similar a la escala entre el metabolismo y el tamaño de un organismo. Además, observaron que la productividad no escala linealmente con el área de superficie, como podría esperarse, dada la importancia de la radiación solar para la producción primaria. Para dar una explicación simple de sus resultados, el autor hizo una analogía: la razón de por qué un elefante tiene un metabolismo más lento que un ratón nos ayuda a responder por qué los estuarios grandes no son tan productivos como los pequeños. En este caso, el metabolismo de un ecosistema es la suma de todo el metabolismo, una medida integrada de cuánto carbono se produce y cuánto se consume en un lugar. Fuente: Nidzieko, N. (2018, 26 de junio). Allometric scaling of estuarine ecosystem metabolism. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(26), 6733-6738. https://doi.org/10.1073/pnas.1719963115 1. Explica por qué los estuarios pequeños son, proporcionalmente, más productivos que los grandes. 2. Según lo leído, fundamenta por qué es importante cuidar los estuarios. 3. ¿De qué manera este estudio refleja la relación entre los avances científicos, el cuidado del ambiente y la sociedad? 104 Unidad 3 • ¿Qué ocurre con la materia y la energía en los ecosistemas? Actividad final En el mapa se observa la superficie terrestre redimensionada de acuerdo con los valores de PPB en distintos ecosistemas. 2. Ubica en el mapa la selva del Amazonas y Alaska. Plantea una hipótesis para explicar la diferencia que observas. 1. Identifica las regiones del mundo que presentan mayor productividad. 3. Infiere por qué la productividad en el norte de Chile es tan baja. PPB Alta Fuente: Malhi, Y. (2018, junio). Terrestrial Ecosystem Productivity. World mapper. https://bit.ly/33BH0zv Baja ¿Cómo voy? Evaluación de proceso y progreso Aplica lo aprendido para desarrollar las actividades a continuación: 1. Analiza los experimentos y luego responde las preguntas planteadas: Experimento 1 H2O CO2 Experimento 2 Se suministra a las plantas H2O marcada con un isótopo de oxígeno, 18O y CO2 no marcado. H2O O2 CO2 Se suministra a las plantas CO2 marcado con un isótopo de oxígeno, 18O y H2O no marcada. O2 a. Explica la diferencia entre ambos resultados. b. Fundamenta de dónde proviene el oxígeno que las plantas liberan en la fotosíntesis. 2. Explica cuáles son los roles de la fotosíntesis y la respiración celular en el flujo de la materia dentro de un ecosistema. 3. Evalúa si la siguiente afirmación es correcta o no y fundamenta: «los animales no pueden vivir sin organismos fotosintéticos, pero estos últimos sí pueden vivir sin los animales». ¿Cómo aprendo? • ¿Recordé los contenidos sobre fotosíntesis y la función de las mitocondrias aprendidos en años anteriores? • ¿Cuál es mi respuesta ahora a la pregunta inicial de la lección? Lección 2 • ¿Cómo se relacionan fotosíntesis y respiración celular? 105 Lección 3 ¿Qué factores alteran los ecosistemas y cómo podemos ayudar a mantener el equilibrio? Cuando la relación entre los componentes del ecosistema es adecuada para su existencia, se habla de equilibrio ecológico. Este se manifiesta de manera dinámica: ante la alteración en algún parámetro se producen otros cambios que logran establecer nuevamente el balance. Las perturbaciones al equilibrio corresponden a sucesos que modifican las condiciones del ecosistema, por ejemplo, generando cambios en las interacciones entre los organismos, en la disponibilidad de recursos, en el tamaño de las poblaciones, en las características del hábitat, entre otras. Las perturbaciones naturales ocurren de manera espontánea en el medioambiente. Estas han formado parte integral de la dinámica de los ecosistemas desde sus orígenes, actuando como presiones selectivas que influyen en la evolución y en el surgimiento de la biodiversidad. A continuación, se describen algunos ejemplos. Terremotos. Son movimientos de la corteza terrestre que ocasionan deslizamientos de tierra, lo que puede alterar los hábitats. En ocasiones, los terremotos elevan la placa continental y exponen el fondo oceánico, lo que provoca la muerte de organismos marinos. Si estos fuertes movimientos suceden en el mar, es posible que den lugar a maremotos o tsunamis. 106 Unidad 3 • ¿Qué ocurre con la materia y la energía en los ecosistemas? Inundaciones. Modifican la humedad de los suelos, lo que afecta a las poblaciones que se desarrollan en ese ambiente, resultando algunas más alteradas que otras. Las inundaciones y sus efectos suelen ser temporales. Erupciones volcánicas. Liberan gases y humo que contaminan el aire. La lava que emana está a temperaturas tan elevadas que avanza quemando todo a su paso. Además, las cenizas cubren la vegetación de una gran zona alrededor, dificultando la fotosíntesis y con ello la cadena trófica. No obstante, su efecto es temporal, pues después de un tiempo los ecosistemas se pueden recuperar, e incluso sus suelos volverse muy fértiles. Sequías. Se producen por una disminución anormal de lluvias durante un período largo de tiempo. Provocan la muerte de la vegetación y, por tanto, la de los consumidores del ecosistema. En ocasiones, se produce la migración de animales a otras zonas, alterando el equilibrio ecológico no solo del ecosistema afectado por la sequía, sino también de aquel donde llegan los animales que migran. ¿Qué sé? 1. ¿Qué desastre natural ocurrido en Chile en los últimos 15 años recuerdas? 2. Busca información sobre algún desastre natural ocurrido en tu región que haya provocado una alteración del equilibrio ecológico. Elabora una presentación o una maqueta para comunicar tus resultados. Lección 3 • ¿Qué factores alteran los ecosistemas y cómo podemos ayudar a mantener el equilibrio? 107 ¿Cómo el ser humano usa los recursos del ecosistema? Focaliza Muchas veces la naturaleza se ve enfrentada a modificaciones muy profundas y permanentes, causadas por la actividad humana que busca extraer sus recursos. ¿Qué ejemplos podrías señalar? Explora Desde tiempos remotos el ser humano ha explotado los recursos de la naturaleza para satisfacer diversas necesidades, tales como la obtención de alimentos, la fabricación de vestuario, la construcción de viviendas, entre otras. Estas actividades han provocado alteraciones en los ecosistemas, que se han ido acumulando con el paso del tiempo. A las perturbaciones de origen humano se les denomina antropogénicas. Reflexiona Los recursos naturales se definen como aquellos bienes generados en la naturaleza sin la intervención del ser humano. Incluyen productos animales, vegetales, minerales, el aire, el agua y la luz solar, entre otros. El ser humano utiliza y transforma los recursos naturales para satisfacer sus necesidades. Sin embargo, sin una adecuada planificación, algunos de estos bienes pueden disminuir hasta desaparecer. La mantención de las sociedades humanas se sustenta en actividades productivas, muchas de las cuales requieren de la explotación de los recursos naturales. • Elabora una lista de cinco productos que usas diariamente. Señala de qué recursos naturales provienen. 108 Unidad 3 • ¿Qué ocurre con la materia y la energía en los ecosistemas? Agricultura. Actividad económica básica en las sociedades humanas. Consiste en el uso del suelo para el cultivo de productos que se utilizan principalmente como alimentos y en la fabricación textil. Ganadería. Crianza de animales para producir bienes, como carne, cuero y leche. Los tipos más comunes son: bovina, avícola, porcina, ovina y caprina. En su modalidad intensiva, los animales se mantienen en cautiverio y con control riguroso de su ciclo de vida. Actividad forestal. Extracción y uso de los bosques, ya sea naturales o plantaciones hechas por el ser humano. La actividad forestal produce madera y celulosa para la fabricación de papel, entre otros. Pesca. Captura o cría de peces u otros animales acuáticos. Existen diversas técnicas, desde la pesca artesanal hasta la industrial. La actividad pesquera también incluye el procesamiento, almacenamiento, preservación y transporte de productos. Minería. Es la extracción o explotación de los recursos minerales de la tierra desde yacimientos. Chile obtiene gran parte de sus ingresos por la actividad minera del cobre. En la imagen se observa parte de la mina de Chuquicamata. Aplica Indaga sobre los principales impactos en el ecosistema de cada actividad productiva asociada al uso y explotación de los recursos naturales. Resume la información recopilada en un esquema o cuadro y compártelo con tus compañeros. Lección 3 • ¿Qué factores alteran los ecosistemas y cómo podemos ayudar a mantener el equilibrio? 109 ¿Qué fuentes de energía de la naturaleza utilizamos? Focaliza ¿Qué tipo de energía usas diariamente para tus actividades? Nombra tres ejemplos e indica de dónde se obtiene esa energía. Explora El uso de fuentes de energía se inició con el descubrimiento del fuego que, según estudios arqueológicos, hizo el Homo erectus hace más de un millón y medio de años. Durante el resto de su evolución, el ser humano ha buscado muchas formas de explotar los recursos energéticos presentes en la naturaleza. Reflexiona Las fuentes de energía utilizadas y desarrolladas por el ser humano, se pueden clasificar según su disponibilidad en renovables y no renovables. Energías no renovables. La mayor parte de la energía utilizada hoy, en el mundo, procede de recursos no renovables, fuentes energéticas que se agotan a escala humana. Estos son, principalmente, combustibles fósiles. Carbón mineral Gas natural Petróleo Al combustionar, generan gran cantidad de CO2 que se acumula en la atmósfera. Se usan directamente o como fuente de energía para producir electricidad. Conexión con… Historia Realiza una línea de tiempo acerca del uso de fuentes energéticas como la hidráulica, eólica, eléctrica, nuclear y solar, en la historia. Puedes usar la información de este link u otros similares: https://bit.ly/historia_energía 110 Unidad 3 • ¿Qué ocurre con la materia y la energía en los ecosistemas? Energías renovables. Podrían agotarse si se usan en exceso. Por ejemplo, la energía hidráulica. Se emplea para producir energía eléctrica, y si bien no contamina la atmósfera, requiere la instalación de centrales hidroeléctricas, que generan gran impacto ecológico. Es una energía renovable convencional (ERC), pues se regenera a través de un ciclo (del agua). Esta tecnología es ampliamente usada en todo el mundo. Las energías renovables no convencionales (ERNC) son las que se renuevan y su uso aún es bajo, como la energía del viento (eólica), la radiación solar y las mareas. También se utilizan para generar electricidad. Desde hace años en Chile se promueve su uso para reemplazar a los combustibles fósiles. Si bien el costo de estas de instalaciones suele se elevado, debería disminuir a medida que se masifiquen. Aplica GRÁFICO 2 Emisiones de CO2 (toneladas métricas per cápita) Analiza el gráfico y responde. 1. ¿Qué ha ocurrido con la emisión de este gas contaminante con el paso del tiempo? Plantea una hipótesis que explique esto. 2. Explica en qué momentos el aumento ha sido más acelerado. 3. Fundamenta si piensas que un país podría disminuir sus emisiones y al mismo tiempo aumentar su calidad de vida. CO2 emitido (t per cápita) 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Tiempo (años) Fuente: Centro de Análisis de Información sobre Dióxido de Carbono, División de Ciencias Ambientales del Laboratorio Nacional de Oak Ridge. (2020). Emisiones de CO2 (toneladas métricas per cápita). Banco Mundial. https://bit.ly/3kpuNUQ Alfabetización digital Explora interactivamente el gráfico del siguiente link: https://bit.ly/emisión-CO2 1. Explica cómo se relaciona la emisión de CO2 con la riqueza de los países. 2. Fundamenta cómo es el nivel de emisión de Chile. Lección 3 • ¿Qué factores alteran los ecosistemas y cómo podemos ayudar a mantener el equilibrio? 111 ¿Cómo las actividades productivas humanas impactan el ambiente? Focaliza Ciertas actividades productivas humanas tienen un gran gasto de energía, transforman los ambientes naturales y eliminan de desechos a la tierra, el aire y al agua. ¿Qué consecuencias tiene esto? Comenten. Explora Las sociedades humanas alteran los ecosistemas de manera directa o indirecta como resultado de su organización y sus actividades. Esta alteración se conoce como impacto ambiental. ¿Qué evidencias de impacto ambiental observas a tu alrededor? Destrucción y deterioro de los hábitats. El uso de la tierra para la agricultura y la explotación de los bosques ha destruido el hábitat natural de numerosas especies nativas. Otro factor de destrucción de hábitats son los incendios forestales. La ganadería también provoca la degradación del suelo por el sobrepastoreo. ¿Cómo piensas que impacta la minería en este aspecto? Contaminación. Uno de los principales factores que ha dañado a la biósfera es la acumulación de contaminantes, principalmente en el aire, el suelo y las masas de agua. Esto causa fenómenos como la eutrofización de lagos y mares, el deterioro del suelo y el aumento del efecto invernadero, que ha causado el calentamiento global y el cambio climático que veremos en las páginas siguientes. Investigo Busca información respecto de las principales fuentes de contaminación del aire, el agua y el suelo. Luego, indaga sobre cuáles son los principales problemas de contaminación de la región donde vives. Crea un díptico para difundir esta información en tu comunidad. 112 Unidad 3 • ¿Qué ocurre con la materia y la energía en los ecosistemas?