Biología Aplicada a la Ingeniería de Materiales - Lección 3: El Agua - PDF

Leccion 3: El agua. Características e importancia para los seres vivos. El agua (del latín aqua) es una sustancia cuya molécula está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, H2O. Es esencial para la supervivencia de todas las formas conocidas de vida. El término agua generalmente se ref...

Leccion 3: El agua. Características e importancia para los seres vivos. El agua (del latín aqua) es una sustancia cuya molécula está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, H2O. Es esencial para la supervivencia de todas las formas conocidas de vida. El término agua generalmente se refiere a la sustancia en su estado líquido, pero la misma puede hallarse en su forma sólida llamada hielo, y en forma gaseosa denominada vapor. El agua cubre el 71% de la superficie de la corteza terrestre. Se localiza principalmente en los océanos donde se concentra el 96,5% del agua total, los glaciares y casquetes polares poseen el 1,74%, los depósitos subterráneos (acuíferos), los permafrost y los glaciares continentales suponen el 1,72% y el restante 0,04% se reparte en orden decreciente entre lagos, humedad del suelo, atmósfera, embalses, ríos y seres vivos. El agua es un elemento común del sistema solar, hecho confirmado en descubrimientos recientes. Puede ser encontrada, principalmente, en forma de hielo; de hecho, es el material base de los cometas y el vapor que compone sus colas. Desde el punto de vista físico, el agua circula constantemente en un ciclo de evaporación o transpiración (evapotranspiración), precipitación, y desplazamiento hacia el mar. Los vientos transportan tanto vapor de agua como el que se vierte en los mares mediante su curso sobre la tierra, en una cantidad aproximada de 45.000 km³ al año. En tierra firme, la evaporación y transpiración contribuyen con 74.000 km³ anuales al causar precipitaciones de 119.000 km³ cada año. Se estima que aproximadamente el 70% del agua dulce es usada para agricultura. El agua en la industria absorbe una media del 20% del consumo mundial, empleándose en tareas de refrigeración, transporte y como disolvente de una gran variedad de sustancias químicas. El consumo doméstico absorbe el 10% restante. El agua es esencial para la mayoría de las formas de vida conocidas por el hombre, incluida la humana. El acceso al agua potable se ha incrementado durante las últimas décadas en la superficie terrestre. Sin embargo estudios de la FAO, estiman que uno de cada cinco países en vías de desarrollo tendrá problemas de escasez de agua antes de 2030; en esos países es vital un menor gasto de agua en la agricultura modernizando los sistemas de riego. 21 1.-El agua es imprescindible para los seres vivos La vida en el planeta Tierra comenzó en el agua, donde evolucionó a lo largo de 3000 millones de años antes que conquistar la tierra. Y todavía sigue siendo indispensable para todos los seres vivos ya que seguimos siendo básicamente agua. Un ejemplo de las propiedades del agua que demuestra su importancia para la vida es el siguiente: Las propiedades de la membrana celular se deben a su particular estructura y su estructura está formada por una bicapa de fosfolípidos en un medio acuoso. Decimos que el agua es imprescindible para la vida porque: , Es el constituyente principal de las células, el porcentaje depende del tipo de célula y de su estado fisiológico, la mayoría de células vivas suelen contener entre un 70% y un 95% de agua salvo algunas excepciones como las células que encontramos en las semillas (5% de agua). , Proporciona al organismo un medio de transporte a cortas y largas distancias. , Participa en el metabolismo celular (conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en un organismo) como sustrato, producto o reactivo. La falta de agua es el principal factor limitante del crecimiento en plantas. El agua es de vital importancia en las plantas porque estas no se pueden desplazar, aunque no debemos olvidar que absolutamente todos los seres vivos necesitamos agua más que ninguna otra sustancia y en calidad y cantidad. 22 2.-Propiedades físicas del agua Las propiedades físicas del agua con especial relevancia biológica son:  Poca compresibilidad, que el agua sea poco compresible posibilita una de sus características de mayor importancia biológica, la turgencia. La turgencia es característica de las células vegetales que están sometidas a presión sobre su pared celular, posibilita el crecimiento celular y es necesaria para la apertura de estomas. La poca compresibilidad del agua tiene gran importancia en el fenómeno de la ósmosis, aunque para poder entender este proceso será necesario explicar la difusión ya que la ósmosis consiste en la difusión del agua a través de una membrana semipermeable, decimos que las membranas biológicas son semipermeables porque muestran permeabilidad diferencial, es decir permiten el paso de determinadas moléculas. La difusión consiste en el movimiento aleatorio de las moléculas debido a la agitación térmica. La difusión se rige por la 1ª Ley de Fick, que establece que el movimiento de una partícula por difusión se realiza desde las zonas de mayor concentración a las zonas de menor concentración. Este movimiento tiene importancia en el agua a nivel celular ya que necesitaríamos enormes tiempos para recorrer largas distancias. El proceso de ósmosis es diferente según se de en células animales o vegetales y según la concentración de los medios que las envuelvan: Célula animal: a) Si la solución acuosa tiene la misma concentración que el interior de la célula (es isotónica respecto a la célula) el agua que entra en la célula es igual a la que sale, flujo neto nulo. b) Si la solución acuosa es menos concentrada que el interior de la célula (es hipotónica respecto a la célula) el agua entra en la célula y esta no es capaz de soportar la presión y se rompe como consecuencia de la entrada de agua. Por esta razón los animales deben de mantener un medio interno isotónico c) Si la solución acuosa es más concentrada que el interior de la célula (es hipertónica respecto a la célula) el agua sale de la célula provocando la muerte por deshidratación, por esto los animales que viven en el medios salinos tienen que mantener mecanismos adaptativos que les permita evitar la deshidratación. 23  Célula vegetal: A) Si la solución acuosa tiene la misma concentración que el interior de la célula (es isotónica respecto a la célula) el agua que entra en la célula es igual a la que sale, flujo neto nulo. B) Si la solución acuosa es menos concentrada que el interior de la célula (es hipotónica respecto a la célula), en el caso de la célula vegetal, al existir una pared celular (que es relativamente rígida) es capaz de soportan la presión que ejerce el agua que intenta entrar debido a la poca compresibilidad de esta. C) Si la solución acuosa es más concentrada que el interior de la célula (es hipertónica respecto a la célula) el agua sale de la célula provocando la muerte por deshidratación, por esto las plantas que viven en terrenos salinos tienen que mantener mecanismo adaptativos para evitar la deshidratación.  Otra propiedad física destacable del agua es que actúa como buen disolvente de iones y sustancias polares por ello participa en el transporte de solutos esenciales por todo el organismo.  El agua tiene un elevado calor específico, es decir se necesita una gran cantidad de energía para incrementar la temperatura de una cantidad determinada de agua, y un alto calor de vaporación, es decir se requiere un gran aporte energético para pasar de estado líquido a estado gaseoso a temperatura y presión constantes. Estas propiedades favorecen la regulación térmica que es de gran importancia en: o La transpiración, proceso por el que los seres vivos ceden vapor de agua a la atmósfera, en el caso de las plantas es de vital importancia debido a que no se pueden mover y además ayuda a enfriar la atmósfera durante el día. o Modificación de climas costeros debido a que el vapor de agua reduce el enfriamiento nocturno. La proximidad al mar y la abundancia de vegetación ayudan a suavizar las temperaturas.  Permanece en estado líquido entre los 0ºC y los 50ªC, rango de temperaturas en las que se llevan a cabo la mayoría de procesos metabólicos.  Es más densa en estado líquido que en estado sólido, lo que permite la supervivencia de algunas especies en el agua que queda por debajo del hielo. 24 3.-Polaridad de la molecula de agua La molécula de agua es polar debido a la distribución desigual de cargar surgida por la diferente electronegatividad de los átomos que la componen, H2O, el oxígeno es muy electronegativo y el hidrógeno muy poco. Los hidrógenos de una moléculas de agua se unen con los oxígenos de otras moléculas de agua, a este tipo de unión se la denomina puentes de hidrógeno. Los puentes de hidrógeno son uniones débiles, que se rompen y vuelven a formar con una enorme facilidad. Por esta razón, en todo momento hay un porcentaje sustancial de moléculas de agua unidas por puentes de hidrógeno. Las propiedades físicas de las que hemos hablado se deben en último término a la existencia de puentes de hidrógeno. El agua posee una elevada tensión superficial debida a que el oxígeno es un elemento muy electronegativo y el hidrogeno muy poco, por lo tanto la molécula de agua tiene una gran polaridad lo que proporciona multitud de aplicaciones biológicas. Entre moléculas de agua se forman enlaces covalentes cuando un átomo de hidrogeno de una molécula de agua es atraído por un átomo de oxigeno de otra molécula de agua esto genera entre las moléculas de agua una elevada tensión superficial. La tensión superficial es la energía por unidad de superficie o la fuerza por unidad de longitud que se debe aplicar a un líquido para expandirlo. Depende de la temperatura, composición de la fase líquida/sólida/gaseosa y la presencia de solutos. La tensión superficial del agua permite a determinados insectos caminar sobre su superficie. o Podemos explicar la cohesión como la atracción entre moléculas en estado líquido basada en el establecimiento de puentes de hidrógeno. La cohesión posibilita la tensión superficial. o Se define adhesión como la atracción entre una fase líquida y una fase sólida. Debido a la tensión superficial, el agua tiende a formar gotas sobre las superficies de naturaleza hidrófoba (no polar). Para mejorar el contacto de pesticidas y fertilizantes foliares sobre las hojas de naturaleza hidrófoba se utilizan agentes surfactantes encargados de reducir la tensión superficial. Las hojas de naturaleza hidrófoba tienen multitud de ventajas como:  Menos superficie de contacto  Facilidad de lavado de partículas  Dificulta la germinación de esporas de organismos patógenos. Un ejemplo de planta con hojas de naturaleza hidrófoba es el Loto. 25 4.-Capilaridad del agua La capilaridad consiste en la capacidad que tiene un fluido de subir o bajar por un tubo capilar. La capilaridad es un proceso de los fluidos que depende de su tensión superficial la cual, a su vez, depende de la cohesión entre las moléculas del líquido y la adhesión de este líquido a las paredes del tubo capilar. Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la cohesión entre sus moléculas es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa. La altura de ascenso de un líquido por capilaridad depende del ángulo (α), la densidad del líquido (ρ) y la tensión superficial del líquido (σ). 2π.r.σ.cosα=π.r2.h.ρ.g El agua en un tubo capilar está sometida a una elevada tensión superficial. La cohesión entre las moléculas de agua permiten soportar tensiones relativamente altas y el agua puede permanecer líquida en estado metaestable. No se debe olvidar que el ascenso de la savia que se mueve por los elementos conductores del xilema de los arboles no se realiza por capilaridad ya que poseen un diámetro mayor del necesario para alcanzar un ascenso por capilaridad. 26 5.-Movimiento del agua en sistemas biologicos -El movimiento de la sangre en los animales necesita un aporte energético metabólico ya que es bombeada por el corazón. -Sin embargo, en las plantas, la savia se mueve en el xilema sin gasto de energía metabólica, ya que se realiza a favor de un gradiente de energía libre del agua que es mayor en las raíces y menor en las hojas. El movimiento del agua desde las raíces más profundas hasta lo más alto de la copa supone la realización de un trabajo. El potencial hídrico (Ψ) hace referencia a la energía libre que poseen las moléculas de agua para realizar trabajo. El potencial hídrico cuantifica la tendencia del agua de fluir desde un área hacia otra. Este proceso es debido a la contribución de factores como la ósmosis, gravedad, presión mecánica, o efectos mátricos como la tensión superficial. El potencial hídrico es un concepto generalmente utilizado en fisiología vegetal que permite explicar la circulación del agua en las plantas. El agua se mueve desde regiones con mayor potencial hídrico a regiones con menor potencial hídrico. Al hacerlo el agua cede energía que se aplica en la realización del trabajo que supone el movimiento del agua desde las raíces a la copa. Ejemplo 1: Ascenso de la savia bruta. Transporte pasivo. El ascenso de la savia es un proceso pasivo y es posible porque el potencial hídrico es menor en lo alto de la copa que en la raíz. Este gradiente de potencial es debido a la apertura de los estomas (células especializadas de la epidermis que facilitan el intercambio gaseoso entre el interior de la hoja y la atmósfera) posibilita la entrada de C02 y con ella la fotosíntesis causando la difusión del vapor de agua desde los espacios intercelulares hasta la atmósfera. Esta pérdida de agua en las hojas provoca un descenso en el potencial hídrico (Ψ) de estas ya que aumenta la concentración de solutos. Por lo tanto decimos que la transpiración de las hojas de las plantas crea y mantiene un gradiente de potencial hídrico desde la raíz a la copa. Es ascenso de la savia bruta se realiza por flujo de masa, este movimiento se da en transportes a largas distancias en plantas y animales; y supone el movimiento conjunto de soluto y disolvente. La cohesión del agua permite que este permanezca en estado líquido metaestable como sucedía en los tubos capilares. 27 Ejemplo 2: Ascenso por capilares. Transporte activo. Los capilares son vasos sanguíneos de muy pequeño diámetro con paredes muy finas que permiten el intercambio de sustancias entre la sangre y el flujo intersticial. En la fisiología animal no se utiliza el parámetro de potencial hídrico, pero tiene gran importancia el potencial osmótico, también denominado como presión osmótica. La sangre que llega a las arterias y posteriormente a las arteriolas aquí tiene una cierta presión, la cual se va perdiendo al circular por los capilares. En los extremos próximos a la arteriola la mayor presión sanguínea favorece la entrada y salida de agua y solutos de pequeño diámetro por el flujo de masas a través de pequeñas aberturas entre las células del fino tejido epitelial del capilar. En el extremo del capilar próximo a la vénula el descenso de la presión sanguínea con respecto a la presión osmótica favorece la entrada de agua en el capilar. Se dice que este transporte es activo ya que se necesita un trabajo para realizar este movimiento, el órgano encargado de impulsar la sangre es el corazón. 28