FLUJO Y PROCESAMIENTO DE ENERGÍA Y MATERIA EN LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS ECOSISTEMAS FLUJO Y PROCESAMIENTO DE ENERGÍA Y MATERIA EN LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS

Contenidos a) Flujo de energía en el ecosistema Seres vivos como organismos termodinámicamente abiertos Ecosistemas basados en energía solar y en energía química Fotosíntesis Productividad b) Circulación de nutrientes en la biósfera Composición elemental Carbono y fotosíntesis Nitrógeno en el ecosistema c) Impacto de la actividad humana en la naturaleza Crecimiento poblacional y desechos Efecto invernadero Bosque chileno intervenido Ley ambiental de Chile

Introducción

Flujo de materia y energía Los seres vivos son sistemas abiertos termodinámicamente, y como tales necesitan continuamente del aporte de energía y materia para mantener su estructura y organización.

Seres vivos como sistemas termodinámicamente abiertos Sistema: conjunto de partes que están conectados y trabajan juntos en pos de un objetivo en común. Ejemplo: la tierra está cubierta de materia viva e inerte que interactúan formando sistemas, también llamados ecosistemas.

Tipos de sistemas SISTEMA CERRADO: aquel que no intercambia energía con el medio. SISTEMA ABIERTO: aquel que interactúa con el medio SISTEMA VIABLE: aquel que sobrevive y es capaz de adaptarse a las variaciones del medio.

Biotopo y biocenosis Todos los organismos de una cadena trófica en un ecosistema constituyen la biocenosis. Por otro lado el biotopo es el espacio físico, natural y limitado donde vive la biocenosis. Materia Energía * La energía en los ecosistemas es relativamente escasa, especialmente en los niveles superiores de las cadenas *

Seres vivos como sistemas termodinámicamente abiertos Termodinámica: campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos de materia y energía Principio 1: la energía se conserva… Principio 2: la entropía aumenta…

Fuentes de energía

Rayos solares y origen de los climas

Corrientes oceánicas

Origen de los climas La radiación solar, que llega a la superficie terrestre, varía según la latitud (a mayor distancia de la línea ecuatorial menor radiación) y la altura sobre el nivel del mar (a más altura más radiación)

Ecosistemas y energía solar La más grande contribución de energía proviene del Sol con algunas excepciones evolutivas…

Ecosistemas sin energía solar Humo rico en sulfuros 350°C Quimiotróficos Chimenea formada de sulfuros de fierro, zinc, cobre Agua rica en sulfuros

Materia disponible O C H N Ca P K O Si Al Fe Ca Na K H He O C Fe Ne N Seres vivos O C H N Ca P K % 65,0 18,5 9,5 3,3 1,5 1,0 0,2 Corteza terrestre O Si Al Fe Ca Na K % 49,5 25,7 7,5 4,7 3,4 2,6 2,4 Universo H He O C Fe Ne N % 73,9 23,9 1,07 0,46 0,19 0,18 0,11 La materia componente de los seres vivos proviene de elementos surgidos durante el enfriamiento de la Tierra y que no son los más abundantes en la corteza terrestre.

Materia reutilizable La constante utilización de los elementos en la mantención de la vida desde su origen hace 3.500.000.000 de años implica su constante reutilización, reflejada en los ciclos biogeoquímicos.  

Ciclos biogeoquímicos Carbono Nitrógeno

Acción del ser humano Puesto que el ser humano tiene una determinada posición en las cadenas tróficas sufre de las mismas restricciones respecto a la limitación de las fuentes energéticas. Por lo cual, ha inventado formas de intervenir en los sistemas para aumentar su fuente de entradas a través de cultivo y ganadería y disminuir las pérdidas, economizando y distribuyendo mejor los recursos.

Ganadería y agricultura

Consecuencias Toda intervención en los ecosistemas tiene una consecuencia que ha sido advertida hace ya unos 40 años. Se debe considerar que el estudio de la desforestación es sólo un ejemplo de intervención humana dentro de muchos otros.  

Actividad Completa las siguientes oraciones: La energía que necesitan los seres vivos proviene del_________. Ésta es utilizada por las _______, para fabricar su_______. La energía ________ de un ser vivo a otro, a través de las _________ ________, que están constituidas por organismos __________, ____________ y ___________. Algunos elementos vitales para la vida en la Tierra son el _________ y el ________, los cuales se reciclan a través de los ________ _____________.

Analiza el esquema y responde las preguntas. ¿Qué es un ecosistema? ¿Cuáles son los componentes físicos de un ecosistema? ¿Cuáles son los componentes biológicos de un ecosistema? Indica a lo menos 3 funciones del biotopo ¿Qué sucedería si la biocenosis no interactuara con el biotopo?

Ecosistemas y energía

Flujo de materia y energía Según la materia que los organismos utilizan como materia prima, estos se clasifican en autótrofos (CO2 como fuente) y heterótrofos (materia orgánica como fuente) Según la fuente de energía los seres vivos pueden ser fotótrofos y quimiótrofos

Clasificación Quimio autótrofos: utilizan compuestos orgánicos reducidos como fuente de E y el CO2 como fuente de materia. Foto autótrofos: utilizan luz como fuente de E y el CO2 como fuente de materia.

Clasificación Foto heterótrofos: utilizan luz como fuente de E y compuestos orgánicos como fuente de materia. Quimio heterótrofos: utilizan un compuesto orgánico como fuente de materia y, a su vez, este es la fuente de energía.

Comparación entre quimio y foto autótrofos

En las cadenas tróficas convergen los flujos de materia y energía. Relaciones de alimentación que se establecen entre los diferentes tipos de organismos presentes en la biocenosis. En las cadenas tróficas convergen los flujos de materia y energía.

BIOCENOSIS Productores Consumidores Descomponedores

Clasificación de los organismos

Productores Los productores primarios son los organismos que hacen entrar la energía en los ecosistemas. Los principales productores primarios son las plantas verdes terrestres y acuáticas, incluidas las algas, y algunas bacterias. Forman el 99,9% en peso de los seres vivos de la biosfera

Fotosíntesis y Respiración La fotosíntesis es el proceso por el que se capta la energía luminosa que procede del sol y se convierte en energía química. Con esta energía el CO2, el agua y los nitratos que las plantas absorben reaccionan sintetizando las moléculas de carbohidratos (glucosa, almidón, celulosa, etc.), lípidos (aceites, vitaminas, etc.), proteínas y ácidos nucleicos (ADN y ARN) que forman las estructuras vivas de la planta.

Respiración Las plantas crecen y se desarrollan gracias a la fotosíntesis, pero respiran en los periodos en los que no pueden obtener energía por fotosíntesis porque no hay luz o porque tienen que mantener los estomas cerrados. En la respiración se oxidan las moléculas orgánicas con oxígeno del aire para obtener la energía necesaria para los procesos vitales. En este proceso se consume O2 y se desprende CO2 y agua, por lo que, en cierta forma, es lo contrario de la fotosíntesis que toma CO2 y agua desprendiendo O2.  

La fotosíntesis se produce en los cloroplastos y su reacción global es: 6 CO2 + 6 H2O + E. luminosa = C6H12O6 + 6 O2

En la primera etapa de la fotosíntesis, la luz es absorbida por la clorofila, compactadas de un modo especial en las membranas de los tilacoides. Los electrones son lanzados a niveles energéticos superiores, y, en una serie de reacciones, su energía es usada para formar ATP a partir de ADP y para reducir una molécula transportadora de electrones conocida como NADP+. El NADP+ es muy semejante al NAD+ y también se reduce por la adición de dos electrones y de un protón, formando NADPH.

En una segunda fase la energía química contenida en el ATP y el NADPH es utilizada para reducir moléculas de CO2 hasta gliceraldehido, a partir del cual se sintetizan las distintas moléculas orgánicas, principalmente glucosa. Con la glucosa se forma almidón, celulosa y otros carbohidratos esenciales en la constitución de las plantas

La respiración se realiza en las mitocondrias con una reacción global: C6H12O6 + 6 O2 ó 6 CO2 + 6 H2O + Energía La energía desprendida en esta reacción queda almacenada en ATP y NADH que la célula puede utilizar para cualquier proceso en el que necesite energía.