Flujo de materia y energía en ecosistemas
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Material de apoyo de las clases de Biología de 2º medio sobre el flujo de energía y materia en los ecosistemas.
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Flujo de materia y energía en ecosistemas
- 1. Unidad nº3 “Flujo de materia y energía en los ecosistemas” 1º medio Colegio San Ignacio
- 2. Objetivo de Aprendizaje Analizar modelos que permitan explicar el flujo normal de materia y energía en los ecosistemas, considerando el rol de la fotosíntesis y la respiración celular en los organismos, y las causas y efectos de la bioacumulación de contaminantes
- 3. Antoine-Laurent Lavoisier (1743 - 1794) • Principio de conservación de la masa – “La materia ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.” – “En una reacción química la suma de la masa de los reactivos es igual a la suma de la masa de los productos.” – “En una reacción química los átomos no desaparecen, simplemente se ordenan de otra manera. ” http://www.uv.es/madomin/miweb/leydelavoisier.html
- 4. ¿Cómo es la energía y la materia en un organismo? Materia • Elementos químicos en seres vivos (bioelementos) • Compuestos químicos (biomoléculas) Energía • Metabolismo
- 6. Comenzando de la energía… Productores Sol Reacciones Químicas FOTOSÍNTESIS QUIMIOSÍNTESIS Consumidores Autótrofos Heterótrofos
- 8. Conceptos • Nivel trófico: conjuntos de especies, o de organismos, de un ecosistema que coinciden por el lugar de su hábitat que ocupan en el flujo de energía y nutrientes. Lugar equivalente en la cadena alimenticia. – Productores – Consumidores (1º, 2º, 3º, 4º, tope) – Descomponedores
- 10. Tipos de Ecosistemas Ecosistema Acuático Marino Dulceacuícola Terrestre Aéreo Terrestre
- 20. Ciclo hidrológico (H2O) • Agua (H2O) • Hidrógeno • Oxígeno • Seres vivos: 60% - 90% de agua • En los seres vivos, la ingesta y excreción de agua, los integra al ciclo. Audesirk, 2013
- 21. Ciclo del Carbono • CO2, H2CO3, compuestos carbonatados. • Compuestos orgánicos (esqueleto de carbono). • Respiración y fotosíntesis. Audesirk, 2013
- 22. Ciclo del Nitrógeno • N2: gas atmosférico • NH3 (amoniaco), NO2 - (nitrito), NO3 - (nitrato) • Proteínas, Bases nitrogendas • Importante participación de bacterias y procesos físicos (electricidad). • Legumbres Audesirk, 2013
- 23. Ciclo del Fósforo • PO4 3-: fosfato • Fosfolípidos, Ácidos nucleicos. • Eutroficación Audesirk, 2013
- 24. ¿Qué ocurre cuando los seres humanos desestabilizan los ciclos? • Sobrecargar los ciclos del nitrógeno y del fósforo daña los ecosistemas. • Sobrecargar los ciclos del azufre y del nitrógeno causa deposiciones ácidas. • Interferir en el ciclo del carbono contribuye al calentamiento global.
- 25. Efecto Invernadero (Necesario y Descontrolado)
- 26. Amplificación biológica o Bioacumulación Policlorobifenilos (PCB) • Aislantes para equipos eléctricos como transformadores, interruptores, condensadores y termostatos. • Se acumulan principalmente en tejidos ricos en lípidos, como puede ser el tejido adiposo, el cerebro, hígado, etc. • Desacelera el neurodesarrollo y afectar el metabolismo corporal.
Notas del editor
- Antoine-Laurent de Lavoisier (París, 1743 - id., 1794) Químico francés, padre de la química moderna. La revolución científica de los siglos XVI y XVII arrinconó muchas antiguas creencias y dejó atrás disciplinas de larguísima tradición, como la alquimia. Pero pese a las numerosas aplicaciones prácticas y a los conocimientos acumulados, en la segunda mitad del siglo XVIII la química seguía siendo un saber más empírico y especulativo que una verdadera ciencia. A menudo los investigadores se limitaban a anotar y describir cuidadosamente sus técnicas y experimentos, sin que de ello resultase la enunciación de leyes universalmente válidas que explicasen los fenómenos estudiados. Si Antoine Lavoisier es considerado el fundador de la química moderna, es precisamente por haber emprendido y coronado con éxito la labor de interpretación y sistematización de los dispersos conocimientos existentes; de hecho, buena parte de las aportaciones y descubrimientos de Lavoisier habían sido ya intuidos por sus predecesores. Gracias a una rigurosa metodología de mediciones cuantitativas que aplicó a sus experimentos, Antoine Lavoisier superó definitivamente las nebulosas hipótesis heredadas de la alquimia y proporcionó los conceptos y principios fundamentales de que tanta necesidad tenía la química para constituirse en una nueva ciencia. Así, con Lavoisier quedó claramente establecida la distinción entre elemento (sustancia no descomponible mediante procesos químicos) y compuesto (sustancia compuesta de elementos). A él se debe asimismo la definitiva formulación del principio o ley de la conservación de la materia (Ley de Lavoisier), según la cual la cantidad de materia permanece constante en el transcurso de una reacción química; dicho de otro modo, la masa total de los reactantes es igual a la de los productos de la reacción. Bajo su impulso e inspiración, además, se prescindió de la antigua terminología alquímica y se estableció una nomenclatura química racional para los elementos y compuestos (expresando en los mismos nombres la composición química) que mantendría su vigencia hasta nuestros días. Biografía Orientado por su familia en un principio a seguir la carrera de derecho, Antoine-Laurent de Lavoisier recibió una magnífica educación en el Collège Mazarino, en donde adquirió no sólo buenos fundamentos en materia científica, sino también una sólida formación humanística. Lavoisier ingresó luego en la facultad de derecho de París, donde se graduó en 1764, por más que en esta época su actividad se orientó sobre todo hacia la investigación científica; siguió los cursos de matemáticas y astronomía de La Caille y los de química y botánica de Rouelle y Bernard de Jussieu, y, a pesar de su juventud, llevó una vida muy retirada. En 1766 recibió la medalla de oro de la Academia de Ciencias francesa por un ensayo sobre el mejor método de alumbrado público para grandes poblaciones; tal estudio le había costado semanas enteras de aislamiento en la oscuridad para hacer sensibles sus pupilas a las mínimas diferencias de intensidad de varias fuentes de luz. Con el geólogo J.E. Guettard, confeccionó un atlas mineralógico de Francia. En 1768 presentó una serie de artículos sobre análisis de muestras de agua, y fue admitido en la Academia de Ciencias, de la que sería director en 1785 y tesorero en 1791. Su esposa, Marie Paulze, con quien se casó en 1771, fue además su más estrecha colaboradora, e incluso tradujo al inglés los artículos redactados por su esposo. Un año antes, éste se había ganado una merecida reputación entre la comunidad científica de la época al demostrar la falsedad de la antigua idea, sostenida incluso por Robert Boyle, de que el agua podía ser convertida en tierra mediante sucesivas destilaciones. Sometiendo a ebullición durante varios días un recipiente lleno de agua cerrado herméticamente, Lavoisier obtuvo, al igual que sus predecesores, un poso terroso en el fondo. Sin embargo, observó que el recipiente y su contenido pesaban lo mismo que antes de la ebullición, y tras separar el poso, notó que tampoco el volumen de agua se había alterado. En cambio, el peso del recipiente vacío se había reducido en una magnitud igual a la del poso, por lo que éste sólo podía proceder de las paredes del recipiente. Tal experiencia fue, de paso, la primera de las sucesivas confirmaciones del principio de conservación de la materia obtenidas por Lavoisier. La hipótesis no era desconocida entre los científicos, pero chocaba con las ideas tradicionales e incluso con nociones que parecían empíricamente "evidentes", como que el crecimiento de una semilla era debido a la creación de materia, o que la combustión consistía en la destrucción de una parte de la misma. La combustión y el flogisto Probablemente el primer intento científico de explicar la combustión fue realizado por el neerlandés Van Helmont (1580-1644). El escaso éxito de sus peregrinas ideas contrasta con el de la teoría del flogisto, que dominaría el pensamiento de los estudiosos durante la mayor parte del siglo siguiente. La teoría del flogisto fue desarrollada principalmente por el alemán Johann Becher (1635-1682) y especialmente por su discípulo Georg Stahl (1660-1734) a finales del siglo XVII. Según la teoría del flogisto, los materiales combustibles contenían una sustancia (a la que se denominó flogisto) que emitían al arder. De acuerdo con esta teoría, un material no combustible, como las cenizas, no ardería porque el flogisto que contenía el material inicial (la madera) ya había sido expulsado. Sin embargo, las variaciones de peso suponían un problema importante para dicha teoría. Muchos objetos realmente pesan más después de haberse quemado. ¿Cómo puede explicarse este fenómeno si el flogisto es expulsado del material ardiente? Una explicación que se ofreció fue que el flogisto podía tener un peso negativo. Para algunos tal idea era absurda, pero, a pesar de sus incoherencias, la teoría del flogisto siguió siendo popular entre los químicos durante muchos años, y todavía en tiempos de Lavoisier eran muchos los que se inclinaban por esta hipótesis. A partir de 1772, la especulación acerca de la naturaleza de los cuatro elementos tradicionales (aire, agua, tierra y fuego) llevó a Antoine Lavoisier a emprender una serie de investigaciones sobre el papel desempeñado por el aire en las reacciones de combustión. De los numerosos experimentos que llevaría a cabo para esclarecer la cuestión, el primero con trascendentales consecuencias se centró en una de las sustancias que aumentaban de peso en la combustión: el estaño. Después de calentar con fuego un recipiente herméticamente cerrado que contenía estaño, Lavoisier constató que efectivamente se había incrementado el peso del metal, pero que el peso total del recipiente y su contenido no había variado, y que el incremento del peso del estaño correspondía exactamente con la disminución del peso del aire. El peso total (aire y materia combustible) no cambia en la combustión Experimentos similares con metales como el mercurio y el platino y con otros elementos como el fósforo y el azufre lo llevaron a establecer un nuevo concepto de combustión y a describir con exactitud la naturaleza del aire. A partir de los trabajos previos de Joseph Priestley, Antoine Lavoisier acertó a distinguir entre un «aire» que no se combina con el combustible tras la combustión o calcinación (el nitrógeno) y otro que sí lo hace, al que denominó oxígeno (de oxys genea, productor de ácido). El aire, entendido desde la Antigüedad como uno de los cuatro elementos, no era en consecuencia una sutancia simple, sino una mezcla de dos gases, cuya proporción calculó con relativa precisión (73% de hidrógeno y 27% de oxígeno; en realidad, 78% y 21%). Respecto a la combustión, Lavoisier estableció que todos los fenómenos ordinarios de combustión consisten en la combinación del oxígeno atmosférico con la sustancia combustible, tanto si ésta arde (madera, papel, carbón) como si se altera, sencillamente, para dar lugar a óxidos (como lo hacen, en condiciones ordinarias, los metales). El insigne químico hizo hincapié en el hecho de que cuando se queman el azufre o el fósforo, éstos ganan peso por absorber oxígeno, mientras que el plomo metálico formado tras calentar el plomo mineral lo pierde por haber perdido oxígeno. Al arder, el carbón va menguando progresivamente porque el carbono contenido en el mineral se combina con el oxígeno del aire para formar un nuevo gas, el óxido de carbono; en la calcinación del estaño, el metal gana peso porque se combina con el oxígeno atmosférico, dando lugar al óxido de estaño. Los resultados cuantitativos y demás evidencias que obtuvo Lavoisier se oponían claramente a la teoría del flogisto, aceptada por entonces incluso por Joseph Priestley: ni el flogisto ni ninguna otra sustancia hipotética se liberaba o se adquiría en los procesos de combustión de las sustancias. Lavoisier publicó en 1786 una brillante refutación de dicha teoría, que logró persuadir a gran parte de la comunidad científica del momento, en especial la francesa. En parte por influencia de prejuicios nacionales, la aportación de Lavoisier no fue al principio bien acogida en Alemania (sede de la teoría del flogisto), en Inglaterra y en otros países, pero terminaría por imponerse incluso en Alemania, gracias a la labor de Martin Klaproth. Paralelamente a los estudios sobre la combustión, otras cuestiones merecieron la atención de Lavoisier durante aquellos años. Entre ellas sobresale, sin duda, la naturaleza del agua, que, al igual que el aire, había sido concebida como una sustancia simple (uno de los cuatro elementos) desde los tiempos de la filosofía presocrática. En 1781, el físico y químico inglés Henry Cavendish logró obtener agua detonando una mezcla de aire e hidrógeno, lo que revelaba su naturaleza compuesta. Pero fue Lavoisier quien, en 1783, interpretó correctamente los resultados del experimento al demostrar que el agua era un compuesto formado únicamente de hidrógeno y oxígeno. La nomenclatura química Las expresiones sencillas y racionales de que se sirve hoy la química y su método de nomenclatura derivan en gran parte del esfuerzo desarrollado por Lavoisier y algunos de sus colaboradores para librar a dicha ciencia de las expresiones herméticas o ambiguas que constituían el residuo natural de un largo período de sueños e ilusiones alquimistas. Antoine Lavoisier organizó con este fin reuniones en su laboratorio químico de París, a las que asistían el químico Claude Louis Berthollet, el dramaturgo y orador Antoine François de Fourcroy y el aficionado Guyton de Morveau, que había ido precisamente a París para presentar su proyecto de nomenclatura simplificada. En 1787 el nuevo Método de nomenclatura química fue presentado a la Academia de Francia, y pocos años después, especialmente tras la publicación del Tratado elemental de química de Lavoisier (1789), aquella intuitiva y novedosa terminología triunfó completamente. Antoine Lavoisier El Método de nomenclatura química divide las sustancias en elementos y compuestos, siguiendo un concepto ya introducido por Robert Boyle. Entre los elementos se encuentran el oxígeno, el hidrógeno y el nitrógeno, cuya denominación es debida a Lavoisier, y que intervienen en la composición del aire y del agua, dos de los cuatro "elementos" que desde la antigua Grecia y durante más de dos mil años se habían conceptuado como sustancias simples. Se incluye también entre los elementos el azufre, el fósforo y los metales, contrariamente a lo que establecía la teoría del flogisto, mientras que los ácidos fosfórico y sulfúrico, así como muchos óxidos metálicos que eran considerados simples, quedaron definitivamente clasificados como compuestos. Lavoisier y sus colaboradores dividieron los compuestos en dos grandes clases: binarios y ternarios. A los binarios pertenecen los ácidos, cuyos nombres se forman con dos palabras: una común (ácido) y otra particular para cada uno: ácido carbónico, ácido sulfúrico, etc. Para aquellos ácidos de un mismo elemento que contienen una cantidad menor de oxígeno, la terminación "ico" se transforma en "oso", como en la denominación ácido sulfuroso. Los compuestos oxigenados de los metales que, como bases, se oponen a los ácidos, reciben el nombre genérico deóxidos, que queda especificado con la indicación del nombre del metal que interviene en la combinación (por ejemplo, óxido de plomo). Son también binarios los sulfuros, fosfuros, carburos y los compuestos de dos metales, mientras que entre los ternarios se incluyeron las sales conocidas en aquel tiempo, a las que se aplica la terminología hoy en uso. La expansión de la doctrina defendida por Antoine Lavoisier se vio favorecida con la publicación en 1789 de su obra Tratado elemental de química. De este libro, que contiene una concisa exposición de su labor, cabe destacar la formulación de un primer enunciado de la ley de la conservación de la materia. Escrito con un ejemplar desarrollo lógico y con un estilo que puede calificarse de cristalino, y ampliamente difundido a través de numerosas ediciones y traducciones, el Tratado ha sido considerado el texto fundacional de la química moderna. Ese mismo año, en colaboración con otros científicos, fundó los Annales de Chimie (Anales de Química), publicación monográfica dedicada a la nueva química. Lavoisier también efectuó investigaciones sobre la fermentación y sobre la respiración animal. De los resultados obtenidos tras estudiar el intercambio de gases durante el proceso de respiración, en una serie de experimentos pioneros en el campo de la bioquímica, concluyó que la respiración es un tipo de reacción de oxidación similar a la combustión del carbón, con lo cual se anticipó a las posteriores explicaciones del proceso cíclico de la vida animal y vegetal. Para este trabajo contó con la ayuda de otro famoso científico francés, Pierre Simon Laplace (1749-1827). Como resultado de sus estudios sobre los cambios de calor que se producen durante las reacciones químicas, Lavoisier y Laplace dejaron asimismo sentado uno de los principios fundamentales de la termoquímica: ambos científicos descubrieron que la cantidad de calor necesaria para descomponer un compuesto es igual a la cantidad de calor liberada durante la formación del compuesto a partir de sus elementos. Esta línea de investigación sería desarrollada más tarde, en la década de 1830, por el químico ruso-suizo Germain Henri Hess (1802-1850). Antoine-Laurent de Lavoisier fue asimismo un destacado personaje de la sociedad francesa de su tiempo. De ideas moderadas, desempeñó numerosos cargos públicos en la Administración del Estado, si bien su vinculación con el impopular Ferme Générale (un organismo privado de recaudación de impuestos) le supuso la enemistad con el revolucionario Marat. Un año después del inicio del Terror, en mayo de 1794, un tribunal revolucionario lo condenó a la guillotina tras un juicio de tan sólo unas horas. La revolución que supuso para la química la obra de Lavoisier permitió desarrollar la investigación de las leyes de las combinaciones químicas, investigación que se llevó a cabo, como había enseñado el químico francés, aplicando su rigurosa metodología de mediciones cuantitativas y utilizando como instrumento fundamental la balanza, pero también midiendo volúmenes, presiones y temperaturas. Apenas dos décadas después de la muerte de Lavoisier, la teoría atómica de Dalton y la hipótesis de Avogadro proporcionaron los conceptos necesarios para justificar los resultados obtenidos experimentalmente sobre las combinaciones químicas, estableciendo las fecundas bases sobre las que la química desplegaría su imparable progreso.