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MODULO II UNIDAD 4 CAPITULO 3
3 CICLOS DE NUTRIENTES.
Con la expresi�n Ciclos de Nutrientes se describe el proceso por el cual setenta de los noventa y dos elementos qu�micos de la corteza terrestre se reciclan desde los seres vivos al suelo, al agua y a la atm�sfera, permitiendo que la vida se vuelva a aprovechar nuevamente de ellos.
De esos setenta elementos, veinte son m�s importantes y dos configuran el cuello de botella: el f�sforo y el nitr�geno.
Cabe recordar que los elementos no se pueden transformar en la corteza del planeta unos en otros (excluimos al n�cleo terrestre y a los laboratorios y usinas nucleares y sus residuos).
La biolog�a evolutiva conduce a una mejor comprensi�n geol�gica de los nichos ecol�gicos que se fueron generando en la corteza terrestre y mar�tima. Cada especie que lograba establecerse, modificaba automaticamente el ambiente, como la lata de queros�n que se puebla de bacterias (par�grafo 1). Los estromatolitos, por ejemplo, serv�an de pastoreo. Si no se reciclaban los componentes involucrados, se produc�a un colapso del ecosistema hasta entonces coevolucionado. Los genes egoistas de cada una de las especies ten�an que adquirir conductas coordinadas para lograr adaptaciones exitosas dentro del conjunto. Tiene que aumentar el valor de informaci�n cuando hay numerosas especies que comparten un ecosistema.
Los elementos se deben reciclar, pero energ�a hay suficiente, por lo cual en ecolog�a no cabe la palabra equilibrio, usada correctamente para situaciones sin aporte externo. De d�a hay una cont�nua provisi�n de energ�a solar, variable con la hora. Los fotosintetizadores se duplican en esos momentos eficientemente. Estas dos circunstancias desequilibran cualquier conjunto de reacciones. De noche se establecen velocidades de consumo mucho m�s r�pidas que las de producci�n mientras los elementos se deben reciclar, la energ�a no es necesario que se recicle, dado que constantemente el sol es su fuente durante las horas diurnas. La vida asociada con los gases volc�nicos del fondo de los mares son una excepci�n. Se puede generalizar que entre el sol y esos gases, que no debieran discontinuarse como a veces sucede, hay buen motivo para que la vida pueda seguir su marcha, alejada de todo equilibrio.
Hay un aporte neto de energ�a al final del d�a. Esto se prolonga para abarcar a�os y siglos. Las afirmaciones siguientes son importantes: no hay equilibrio alguno, hay en cambio un continuo aporte de sol. El equilibrio se lograr�a si una nube de origen volc�nico tapara el sol por meses y ese equilibrio resulta en
1. EL CICLO HIDROLOGICO.
Aunque el agua no es un elemento sino un compuesto, su ciclo, el ciclo hidrol�gico, est� subyacente en todo el resto de los ciclos que vamos a considerar. El agua resulta necesaria para todas las formas de vida excepto para algunas muy simples. Adem�s es el principal modo de transporte de nutrientes y productos de desecho. Las rocas y los suelos liberan otros nutrientes por su actividad solvatante (de poner en soluci�n a un solido). La gran proporci�n del agua est� ubicada en los oc�anos y capas de hielo polares. Cerca del ecuador, el agua se evapora durante el d�a por efecto del sol y forma vapor de agua atmosf�rico. En general se la observa como nubes de varios tonos, pero tambien como neblina, lluvia, escarcha, granizo o nieve. Al caer sobre los continentes, forma arroyos, r�os y napas de agua subterr�neas que vuelven al mar. Las ra�ces de las plantas capturan algunas de esas aguas, sobre todo las de lluvia que humedeci� a la tierra. Ascienden hasta las hojas. Hay �rboles con hojas m�s altas altos que los 10,3 m que forman una columna de agua con vac�o en su parte superior, expuesta en su parte inferior a la presi�n atmosf�rica. �Qu� explicaci�n se le ocurre a usted para esa ascensi�n extraordinaria? Pi�nselo y verifique sus propuestas al final del m�dulo.
FIG 18-6 BA
Los animales beben agua y comen alimentos con agua. El agua es producto final de metabolismo, inclusive para descomponedores. Excretan agua por mecanismos de espiraci�n, orina, transpiraci�n, excreci�n, etc. Tambien las plantas devuelven humedad de varias maneras, en especial a trav�s de las hojas expuestas al sol.
2. EL CICLO DEL CARBONO.
Como la vida se basa en el carbono la existencia continuada de las especies de un ecosistema exige que el carbono encerrado dentro de los organismos sea finalmente devuelto al ambiente. Esto ya lo hemos visto, inclusive explicamos bastante sobre el di�xido de carbono resultante de la respiraci�n aer�bica. Comencemos entonces con el di�xido de carbono gaseoso libre en la atm�sfera desde la formaci�n misma del planeta. La cifra de su concentraci�n depende de cianobacterias y luego plantas (que lo bajan de d�a formando az�cares).
En ausencia de otros seres vivos, las cianobacterias habr�an acabado de fijar todo el CO2 primordial y se habr�a acabado la vida del planeta con ellas. Con las bacterias heter�trofas y levaduras y luego con los animales (que producen CO2 d�a y noche al quemar az�cares en su organismo), las cianobacterias y las plantas pueden seguir con su actividad diurna. Las plantas se suman a esa oferta de CO2 durante la noche. (Pregunta para que la piense: �es importante para la ecolog�a el est�mulo, supranormal o no, que provoca la ingesta de az�cares por parte de los animales? ) Si un herb�voro se come una planta o pastorea pastos, los microorganismos heter�trofos de sus est�magos (que a veces son 3, como en la llama � 4, como en el bovino) los transforman en compuestos intermediarios del carbono que finalmente se degradan en CO2 , con energ�a para su supervivencia. Parte del carbono pasa a la leche, a la orina o a la materia fecal, esta �ltima llena de microorganismos descomponedores, que siguen a la intemperie los procesos que antes efectuaban en los est�magos. Estos mismos son los microorganismos descomponedores encargados de transformar el material del animal muerto
FIG 18-4
CICLO DEL CARBONO
en di�xido de carbono. Tambien las plantas pueden morir y ser descompuestas por descomponedores, salvo que en un pantano las plantas muertas queden sumergidas sin el ox�geno atmosf�rico. All� se forman turbas y finalmente carb�n en lugar de gas CO2 , siempre con bacterias descomponedoras. Si no hay ese accidente u otros similares, la cantidad de CO2 absorbido por los fotosintetizadores coincide con el CO2 liberado por los otros procesos (respiraci�n y descomposici�n) de los consumidores y descomponedores. El carbono fijado por fotos�ntesis se devuelve.Aunque los combustibles f�siles bajo tierra tienen el resto del carbono que integra el ciclo. La formaci�n de combustible exige millones de a�os, que - como se ha dicho (pag ---) - hoy al ser quemados subsidian energeticamente a la civilizaci�n industrial.Mientras tanto un �tomo particular de carbono forma parte de much�simos intermediarios de la qu�mica org�nica, entre los cuales tienen m�xima importancia los detallados en el m�dulo III, referido a la biolog�a molecular.
3. CICLO DEL OXIGENO.
Todas las explicaciones de las figuras 20 a hasta 20 e sirven para entender que tambien hay un ciclo para el ox�geno, del cual resulta que el O2 gaseoso es la forma m�s vers�til por su agresividad y el O3 forma la capa protectora de ozono. En los vegetales ese ox�geno gaseoso es un producto, mientras que para microorganismos aer�bicos y para animales es un nutriente o el comburente para el combustible que es la fuente de carbono y de energ�a. La mitocondria logr� cerrar el ciclo. En caso contrario la acumulaci�n de ox�geno habr�a presumiblemente extinguido a las formas vivas (hip�tesis de Lynn Margulis).
4. CICLOS DEL NITROGENO Y DEL FOSFORO
-En este par�grafo ya estamos en pleno tema de biolog�a molecular, que ya viene esboz�ndose desde algunas p�ginas previas. Si la vida es basicamente COHN (s�mbolos qu�micos para los �tomos de carbono, ox�geno, hidr�geno y nitr�geno), sigue el hidr�geno como H2O y el nitr�geno como N2 .El ciclo del nitr�geno se considera a continuaci�n. Hay cinco tipos de bacterias que colaboran con este ciclo.
1 BACTERIAS FIJADORAS DE NITROGENO. Viven en el suelo y en las ra�ces de las plantas leguminosas, en peque�os n�dulos. La industria biol�gica provee inoculantes que son bacterias fijadoras de nitr�geno gaseoso atmosf�rico (es el 80% de la atm�sfera) que se adhieren a las semillas de las leguminosas, como por ejemplo la soja, antes de ser sembradas y que asisten luego al proceso de crecimiento con mejora en su rendimiento. Estas bacterias transforman el nitr�geno gaseoso en nitratos que son sales solubles en agua, que pueden pasar por las ra�ces a formar parte de la savia de la planta. N�tese que al estudiar la fig 20--- observamos tambien fijaci�n del nitr�geno durante el prec�mbrico. Como no exist�an las leguminosas, nos est�bamos refiriendo a algas capaces de fijar el nitr�geno atmosf�rico.
2 BACTERIAS PUTREFACTIVAS. Se encuentran en el fondo de los pantanos y lagunas y en la capa de humus de la tierra. Ellas descomponen a las prote�nas vegetales y animales en compuestos del amon�aco, como por ejemplo el fosfato de amonio. Esa sal disuelta en agua de lluvia es procesada a continuaci�n por el siguiente grupo de bacterias.
3 NITRITOBACTERIAS. Terminado el proceso de putrefacci�n (acompa�ado por malos olores del ciclo del azufre, que no detallamos aqu�) las nitritobacterias usan las sales producidas como sustrato (fuente de energ�a) para transformarlas en nitritos solubles en agua y capturables por las ra�ces vegetales si hay suficiente agua, ingresando a formar parte de la savia.
4 NITRATOBACTERIAS. Las bacterias nitratantes est�n relacionadas con las fijadoras de nitr�geno porque aunque con diferentes sustratos, las dos terminan en el mismo producto, sales de nitrato. Tambi�n est�n relacionadas con las nitritobacterias porque usan su producto como sustrato. Pero obviamente son un grupo aparte en sus caracter�siticas metab�licas.
5 BACTERIAS DESNITRIFICANTES. No son indispensables y operan al rev�s que las fijadoras de nitr�geno. Su sustrato son los nitratos y su producto final es el nitr�geno atmosf�rico.
6 SINTESIS DE PROTEINAS. Una vez en la savia de los vegetales, los nitratos pueden ser metabolizados en prote�nas. Tambien las prote�nas bacteriales se biosintetizan a partir de los nitratos que as� no pasan a las plantas verdes. Tenemos ya las prote�nas vegetales. �Qu� pasa con ellas? A esta altura ya no le pedimos Chou, que lo piense: se lo contamos. O bien el vegetal es comido por un herb�voro o bien se muere, con lo cual es metabolizado por bacterias putrefactivas. * Si es comido por un herb�voro, primero se rompe la macromol�cula en sus eslabones constituyentes, que son los amino-�cidos. Con ellos dentro de las c�lulas animales, se arman y desarman las prote�nas animales con una gran velocidad, con mecanismos espectaculares por su precisi�n que estudiaremos en el m�dulo siguiente. Imaginese que se eslabonan correctamente millones de amino-�cidos y al rato se est�n volviendo a deseslabonar para empezar con varias prote�nas simultaneamente en los obradores distribuidos por el citoplasma. Un eslab�n reci�n desarmado, quien sabe cu�l obrador lo captura y donde va a parar. Al rato otra vez est� suelto. Pareciera que las prote�nas no pueden ponerse demasiado viejas, porque todo este esfuerzo sigue y sigue y sigue. Si se descartan los amino-�cidos, se genera con ellos ya sea urea, guanina, �cido �rico o amon�aco. La urea es muy soluble y muchos animales beben agua para disolverla y orinarla, explicado esto sin teleolog�a: son procesos no-intencionales. Si fuese guanina, se la excreta (aves guan�feras). La urea o el guano producidos por especies superiores se devuelven al ciclo con la ayuda de las bacterias del nitr�geno. El amon�aco y el �cido �rico casi seco (que ornamenta las estatuas de nuestros parques) producidos por especies animales inferiores, tambien vuelven al ciclo ya sea pasando directamente por las ra�ces, ya sea requiriendo la ayuda de bacterias.
* Si por otra parte, la planta se muere, las bacterias sapr�fitas (que proliferan en tejidos muertos) iniciales ser�n las que degradar�n las prote�nas vegetales para convertirlas en diversos compuestos de amonio, entre otros sin nitr�geno. Dos otras bacterias sapr�fitas se hacen cargo de esos compuestos.
Unas palabras m�s para el ciclo del f�sforo. El malgasto del f�sforo tiene influencia importante en los ecosistemas, ya que es muchas veces el elemento en d�ficit. Arrastrado por las aguas va a parar al fondo del mar desde donde es casi imposible que vuelva a ser utilizado por las plantas y, encadenadamente, por los animales terrestres. Para peor, el dep�sito de f�sforo en huesos, dientes y conchillas y caparazones de moluscos no dispone de recicladores vivientes r�pidos, como se observa en los registros f�siles que todav�a no han reciclado el f�sforo almacenado en ellos, pese a los millones de a�os pasados.
OTROS CICLOS. Para la vida se necesitan elementos como el hierro y el calcio, que tienen patrones bioquimicos muy complicados. Otros reconocidos como necearios son el potasio, el magnesio, el cobalto, el cadmio, el cobre, el manganeso, el cinc, el molibdeno, el boro, el sodio, el cloro, etc.
LECTURA 37-Ross-Russell - ciclos de nutrimentos con compuestos riesgosos
�Por qu� hay que detectar si los productos c�rneos argentinos a exportar contienen derivados clorados?
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