AUSPICIA Y FINANCIA EL MINISTERIO DE EDUCACIÓN DE LA NACIÓN
ARGENTINA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE RÍO CUARTO
FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS FÍSICO-QUÍMICAS Y NATURALES-
CUADERNILLO DE ENTRENAMIENTO NIVEL I Y NIVEL II
CERTÁMENES INTERCOLEGIAL Y NACIONAL DE XVI OAB
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OLIMPÍADA ARGENTINA DE BIOLOGÍA (OAB)
LA COORDINACIÓN DE LA ACTIVIDAD ACADÉMICA DE LA XVI OAB ESTUVO A CARGO DE:
COMITÉ ORGANIZADOR EJECUTIVO (COE)
Esp. María Isabel Ortiz (UNRC) Esp. Graciela Raffaini (UNRC) Dra. Herminda Reinoso (UNRC)
LOS AUTORES DE LAS PROPUESTAS DE EXÁMENES PARA ESTA EDICIÓN FUERON LOS MIEMBROS DE LOS COMITÉS ACADÉMICOS
COMITÉ ACADÉMICO NIVEL I (CA I) Lic. Antonia Oggero (UNRC)
Dra. Alicia Rolando (UNRC) Lic. Rosana Ferri
COMITÉ ACADÉMICO NIVEL II (CA II) Mic. Florencia Alvarez (UNRC) Lic. y Prof. Analía Barbosa (OAB)
Mic. Analía Príncipe (UNRC) MSc. Susana Suárez (UNRC)
EL AVAL CIENTÍFICO PARA LAS PROPUESTAS DE EXÁMENES FUE DADO POR: COMITÉ SUPERIOR
Dra. Guillermina Abdala (UNRC) MSc. Ana María Gagneten (UNL)
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Para el usuario
Esta nueva propuesta de cuadernillo de entrenamiento contiene los exámenes implementados en los certámenes de la XVI Olimpíada Argentina de Biología (OAB), durante el año 2007 para ser usados en el trabajo de preparación de los alumnos interesados en participar de esta Olimpíada; al mismo tiempo que brinden una visión generalizada sobre la modalidad de trabajo de los comités académicos de la OAB.
Este cuadernillo cuenta las tres de las secciones implementadas en ediciones anteriores: Ejercicios propuestos para nivel I, Ejercicios propuestos para nivel II y Simposio para Suplentes del certamen nacional. En la tercera sección figuran los resúmenes de los trabajos presentados por cada equipo participante en esta actividad.
Como novedad se ha incorporado el apartado “Ampliando contenidos…”, el mismo contempla contenidos actualizados sobre diferentes ramas de las Ciencias Biológicas. Su inclusión fue pensada con la intención de ofrecer a todos nuestros participantes materiales alternativos de estudio acordes con los nuevos temarios vigentes de la OAB.
La distribución de estos contenidos dentro del cuadernillo, sólo atiende a una conexión con la rama de la Biología a la que se refiere el o los ejercicios anteriores a este apartado, ello no implica exclusividad con el nivel para el que fue pensado el ejercicio. El abordaje que cada participante (estudiante o docente) haga de estos contenidos deberá estar en relación al nivel de profundidad propuesto en el temario del nivel al que pertenece.
Considerando que el 2008 ha sido propuesto como “El año de la enseñanza de las Ciencias” ponemos a disposición de los docentes un compilado de “Historia de la Ciencia” para que pueda ser usado en diferentes propuestas de trabajo aúlico que acerquen al estudiante al avance histórico del conocimiento científico en nuestro país.
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Compilación General del cuadernillo Lic. y Prof. Analía Barbosa
Secretaria- Comité Organizador Ejecutivo OAB OLIMPÍADA ARGENTINA DE BIOLOGÍA Agencia Postal Nº 3 X5804ZAB-Río Cuarto
Tel/fax. 0358-4676180 e-mail: infoab@exa.unrc.edu.ar
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NIVEL I
TEMARIO TEÓRICO PARA NIVEL I DE LA OAB BIOLOGÍA CELULAR (20 %)
*Atomos y Moléculas. Moléculas inorgánicas y orgánicas. Estructura e importancia del agua para los seres vivos (capilaridad, tensión superficial, etc.). Esctructura y función de carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos: ARN y ADN. Modelo de Watson y Crick.
*Aportes históricos a la biología celular: Leeuwenhoek, Hooke, Virchow.
*Organización celular. Formas, tamaños y tipos celulares: células procariotas y eucariotas. Nociones básicas de microscopía óptica y electrónica.
*Estructura y función/es de:
-Límites celulares: membrana y pared celular. Mecanismos de transporte pasivos y activos a través de las membranas. Permeabilidad de las membranas a diversas sustancias. Uniones y comunicaciones intercelulares.
-Núcleo: membrana nuclear, nucleoplasma, nucléolo, cromatina, cromosoma, gen.
-Citoplasma: citosol, mitocondrias, plástidos, peroxisomas, glioxisomas, retículo endoplasmático liso y rugoso, complejo de Golgi, lisosomas, ribosomas, vacuolas, vesículas, citoesqueleto. cilios, flagelos, centríolos
*Metabolismo celular. Células autótrofas y heterótrofas. Fotosíntesis y respiración celular: ecuaciones y descripción general.
*Ciclo celular. Interfase y división celular. Mitosis y meiosis: fases e importancia biológica. *Genética: objeto de estudio. Aportes de Mendel (1º Ley) y Morgan.
*Biotecnología moderna: Concepto y nociones generales de su aplicación (clonación-organismos transgénicos-terapia génica)
ORGANISMOS (40%)
Conceptos de: especie, biodiversidad, clasificación, taxonomía, sistema de nomenclatura binomial, sistemática, taxón, categoría taxonómica, jerarquía taxonómica, homología, analogía y filogenia. Clasificación. Dominios: Bacteria, Archaea y Eukarya. Procariotas: Reinos Eubacteria y Archaebacteria. Semejanzas y diferencias Protistas: Características diferenciales de los principales grupos de protistas. Euglenophyta, Chrysophyta, Chlorophyta, Mastigophora, Sarcodina, Ciliophora.
Fungi: Características principales del reino. Relaciones simbióticas de los hongos.
Plantae: Etapas principales en la evolución de las plantas verdes. Características de Briophyta, Pterophyta, Pinophyta y Antophyta (Monocotiledóneas y Dicotiledóneas). Ciclos biológicos.
Características diagnósticas de los phyla: Porifera, Cnidaria. Plathyelmithes, Nemathelminte, Annelida, Mollusca, Arthropoda (con énfasis en insectos), Equinodermata, Chordata (características de aves mamíferos reptiles y peces).
a) Morfología y Fisiología Vegetal
Características morfofisiológicas y adaptaciones de tejidos y órganos. Procesos de reproducción sexual y asexual.
Crecimiento primario y secundario, transporte de distintas sustancias en las plantas. Principales hormonas vegetales: auxinas, citocininas, giberelinas, etileno, ácido abscísico. Fotosíntesis: principales mecanismos y fases de la misma.
Principales respuestas a los estímulos: fotoperiodismo, fototropismo y geotropismo. b) Morfología y Fisiología Animal
7 En el organismo humano además se considera:
*Sistema endócrino: Glándulas y productos glandulares: Hipófisis, Tiroides, Páncreas, Suprarrenales, Paratiroides, Ovario y Testículo.
*Sistema nervioso: Sistema nervioso periférico. Sistema nervioso central (médula espinal y encéfalo). Sistema nervioso autónomo (simpático y parasimpático). Reflejos y órganos de los sentidos.
*Reproducción y desarrollo: Sistemas reproductores masculino y femenino. Ovulación y ciclo menstrual. Concepto de: fertilización y desarrollo. Concepto de embrión y feto, membranas extra embrionarias y placenta, anticoncepción y enfermedades de transmisión sexual (énfasis en SIDA) duración de cada período en el embarazo.
*Respuesta inmune: Órganos del sistema inmune. Diferencias entre el mecanismo de defensa específico (Linfocitos T y B, anticuerpos) y el mecanismo de defensa inespecífico (barreras anatómicas, inflamación).
ECOLOGÍA, ETOLOGÍA Y EVOLUCION (40%)
*Ecología: objeto de estudio.
*Población. Estructura: tamaño, densidad, distribución, sexo, edad.
Dinámica: crecimiento, tipos exponencial y logístico. Natalidad, mortalidad, inmigración, emigración. Factores limitantes que regulan el tamaño poblacional: dependientes e independientes de la densidad.
*Comunidad. Interrelaciones en las comunidades: competencia interespecífica; depredación; simbiosis: mutualismo, comensalismo, parasitismo. Hábitat y nicho ecológico. Principio de exclusión competitiva.
*Ecosistemas. Factores bióticos y abióticos. Ciclo de la materia y flujo de la energía. Niveles tróficos. Cadenas y redes alimentarias. Pirámides ecológicas: numéricas, de biomasa, de energía. Ciclos biogeoquímicos del carbono y del agua.
Ecosistemas acuáticos: de agua dulce y marina. Ecosistemas terrestres. Biomas: tipos y distribución mundial.Biomas naturales argentinos y parques nacionales)
*Actividades humanas que alteran los ecosistemas: deforestación, contaminación. Conservación y protección de la naturaleza.
*Etología: objeto de estudio.
*Comportamiento. Ciclos de comportamiento. Comportamiento innato. Aprendizaje (impronta). Ecología del comportamiento: Comportamiento Social y altruismo.
*Evolución. La evolución antes de Darwin: aportes de Malthus y Lamarck. Teoría de Darwin-Wallace: mecanismo de la selección natural. Pruebas de la evolución: registro fósil y anatomía comparada (homología y analogía). Patrones de evolución: Coevolución- Evolución convergente y divergente. Concepto de Filogenia.
Bibliografía sugerida.
CURTIS, H. Y S. BARNES 2000. Biología. Ed. Médica Panamericana. 6ta. ed.
PURVES, W; D. SADAVA; G. H. ORIANS Y H. CRAIG HELLER. 2003. Vida. La ciencia de la Biología. Ed. Médica Panamericana. 6ta. ed.
SOLOMON, E. P; L. R. BERG y D. W. MARTIN, 1999. Biología. Ed. Mc Graw Hill Interamericana 5ta. ed.
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TEMARIO PRÁCTICO PARA NIVEL I DE LA OAB ( S ó l o p a r a i n s t a n c i a N a c i o n a l ) I- MÉTODOS BIOLÓGICOS
*Análisis exomorfológico de animales y plantas.
*Disección de animales y flores para diagrama y fórmula floral. *Cortes a “mano alzada” de tallos, hojas y raíces.
*Identificación de pigmentos vegetales mediante técnicas sencillas. *Disección de animales pequeños acuáticos y terrestres.
*Observación de pequeños invertebrados con la lupa. *Estimación de la parámetros poblacionales.
*Estimación de la biomasa. *Uso de claves dicotómicas.
*Identificación de organismos mediante el uso de claves dicotómicas.
II- MÉTODOS FÍSICOS Y QUÍMICOS
* Preparación de soluciones y diluciones a partir de la solución madre. *Manejo de volúmenes pequeños.
*Pruebas estándares de monosacáridos, polisacáridos, lípidos, proteínas.
*Manejo de instrumental volumétrico (ej: pipetas, probetas, balones, vaso precipitado).
III- MÉTODOS ESTADÍSTICOS
*Estimaciones de la media, rango, mínimo, máximo, moda, mediana, porcentaje. *Diagramación e interpretación de gráficos.
Importante: Se recomienda en entrenamiento en la manipulación de: *balanza (para masas pequeñas)
*aguja histológica y pinza (para organismos pequeños) *bureta, pipeta u otro material (para enrasar precisamente) *cronómetro o timer (para estimación de tiempos)
*protocolo de trabajo (para identificar correctamente sus pasos) *bisturí u hoja de afeitar (para cortes sencillos)
*portaobjeto y cubreobjeto (para montar correctamente una muestra a observar en microscopio)
*organismos pequeños (para observación directa y descripción de características) *calculadoras no científicas (para cálculos sencillos)
*regla y lápiz (para elaboración de gráficas a escala en hojas lisas) *gráficos (para interpretación de datos importantes)
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NIVEL II
TEMARIO DE TEÓRICO PARA NIVEL II DE LA OAB 1. BIOLOGÍA CELULAR. (30 %)
*La unidad de la vida. Átomos y moléculas, tipos de enlaces y reacciones químicas. Niveles de organización biológica. Importancia del agua en la vida. Estructura del agua. Moléculas orgánicas (carbohidratos, proteínas, lípidos, ácidos nucleicos-ADN y ARN, sus elementos constitutivos- y otros componentes importantes: NAD+/NADH; NADP+/NADPH; ADP/ATP). Concepto de enzima. *Organización celular: Forma. Tamaño.
*Estructura y función de:
Límites celulares (membrana y pared celular). Transporte a través de la membrana (difusión, ósmosis, difusión facilitada, transporte activo). Comunicaciones y uniones celulares.
Núcleo: Membrana nuclear, nucleolo, nucleoplasma, cromatina, cromosomas, genes. Síntesis de ADN. Mutaciones. Síntesis de ARN o transcripción. Síntesis de proteínas o traducción. Regulación génica: concepto de operón. Enzimas inducibles y reprimibles. Elementos genéticos móviles. Citoplasma: Hialoplasma, citoesqueleto, mitocondrias, retículo endoplásmico liso y rugoso, ribosomas, aparato de Golgi, lisosomas, vacuolas, plástidos (cloroplastos, cromoplastos, leucoplastos). Cilios y flagelos.
*Tipos celulares: Procariota y eucariota. Características y diferencias.
*Flujo energético: Primera y segunda ley de la termodinámica. Fotosíntesis y respiración celular (ecuaciones generales y descripción de las fases de estos procesos).
*Mitosis y meiosis: Ciclo celular {interfase y mitosis (profase, anafase, metafase y telofase)}. Meiosis I y meiosis II. Concepto de haploidía y diploidía. Espermatogénesis y ovogénesis.
*Conceptos en genética: Primera y segunda ley de Mendel. Modificaciones a las leyes de Mendel (alelos múltiples, codominancia, ausencia de dominancia, genes letales) Excepciones a la ley de Mendel (ligamiento y recombinación).
*Conceptos de Ingeniería Genética: Amplificación (clonación molecular) de ADN in vivo (células) e in vitro (PCR-Reacción en Cadena de la Polimerasa). Técnicas moleculares: hibridación (Southern, Northern, Western, hibridación en colonia o en calvas), electroforesis.
2. BIOLOGÍA DE LOS ORGANISMOS. (40 %) a) La clasificación de los organismos y filogenia.
Conceptos de Taxonomía, Clasificación y Sistemática. Linneo y el desarrollo de las clasificaciones. Fuentes de información filogenética. Conceptos biológico y tipológico de especie. Dominios: Bacteria, Archaea y Eukarya. Reinos: Arquebacteria, Eubacteria, Protista, Fungi, Plantae, Animalia. Grupos no clasificados: Virus y Líquenes. Características diferenciales de los distintos grupos (tipo celular, unicelulares o pluricelulares, protostomados, deuterostomados, planescorporales, forma de nutrición, rol ecológico). Ejemplos. Características diferenciales de los fila de animales.
b) Anatomía y Fisiología Vegetal.
Estructura y función de tejidos embrionarios y adultos y sistemas de tejidos y órganos.
*Fotosíntesis. Transpiración. Intercambio gaseoso, hoja: estructura, función de estomas.
*Transporte de agua, minerales y productos de fotosíntesis: raíz y tallo: estructura y disposición de los tejidos vasculares.
*Reproducción asexual. Reproducción sexual (estructura de la flor, polinización y fecundación). Alternancia de generaciones.
*Crecimiento y desarrollo: germinación.
*Respuestas de las plantas y regulación del crecimiento. Tropismos. Hormonas Vegetales. Adaptaciones y modificaciones especiales. Respuestas de las plantas a los estímulos.
10 *Nutrición y digestión.
*Respiración.
*Circulación: Sangre (sus componentes). Tipos de circulación sanguínea. Sistema linfático. *Excreción. (hidrosalina y de nitrógeno)
*Sostén: tipos de esqueleto, características de exo y endoesqueletos.
*Sistema osteoartromuscular: Huesos, articulaciones y músculos (características y clasificación).
*Integración y control: Homeostasis (concepto). Regulación de la temperatura.
a) Sistema endócrino: Glándulas y productos glandulares: Hipófisis, Tiroides, Páncreas, Suprarrenales, Paratiroides, Ovario y Testículo.
b) Sistema nervioso: Sistema nervioso periférico. Sistema nervioso central (médula espinal y encéfalo). Sistema nervioso autónomo (simpático y parasimpático). Reflejos y sistemas sensoriales.
*Reproducción y desarrollo: Sistemas reproductores masculino y femenino. Ovulación y ciclo menstrual. Fertilización. Desarrollo embrionario. Formación de ectodermo, mesodermo y endodermo. Concepto de celoma.
*Respuesta inmune: Órganos del sistema inmune. Mecanismo de defensa específico (Linfocitos T y B, anticuerpos). Mecanismo de defensa inespecífico (barreras anatómicas, inflamación).
3. ECOLOGÍA, ETOLOGÍA y EVOLUCIÓN. (30%)
I. Ecología. *Población: Estructura y dinámica de la población. Tasa de nacimiento y mortalidad. Migración. Estrategias de crecimiento. Estructura de población humana por sexo y edad.
*Comunidad: Concepto. Interrelaciones en las comunidades: Competencia, depredación, Simbiosis: parasitismo, mutualismo y comensalismo. Sucesión. Capacidad de carga. Biodiversidad: abundancia relativa, variedad específica, densidad poblacional
*Ecosistema: Componentes bióticos y abióticos. Cadenas y redes alimenticias: Nivel trófico, productores, consumidores y descomponedores. Flujo de energía: Pirámides de biomasa y energía. Ciclos biogeoquímicos: Ciclo del Carbono, del Nitrógeno y del Agua. Hábitat y adaptación de los organismos al ambiente. Nicho ecológico.
*Biogeografía: Características de los biomas naturales en Argentina. Parques nacionales. El hombre y el equilibrio biológico. Conservación y protección de la naturaleza.
II. Etología. Las bases genéticas del comportamiento. Patrones de acción fija. Aprendizaje, características de cada tipo. Tipos de comunicación. Ritmo circadiano. Ecología del comportamiento: Sociedades de insectos, sociedades de vertebrados. Comportamientos asociados a selección sexual, cambios del ambiente: Migración, selección de alimento. Altruismo. III. Evolución: La evolución antes de Darwin. Teoría de la selección natural. Tipos de selección natural. Evidencias y mecanismos de la evolución. Teoría Sintética. Especiación: Simpátrica, alopátrica, aislamiento genético. Evidencia del registro fósil (Ritmo de la evolución). Micro y macroevolución. Genética de poblaciones: Ley de Hardy-Weinberg.
Caracteres taxonómicos y reconstrucción filogenética. (homologías y analogías) Taxonomía evoliutiva tradicional: taxonomía fenética. sistemática filogenética cladística.
Bibliografía sugerida.
CURTIS, H. y S. BARNES 2000. Biología. Ed. Médica Panamericana. 6ta. ed.
HICKMAN, C., L. ROBERTS y A. PARSON. 2002. Principios integrales de Zoología. Ed. Mc Graw Hill Interamericana 11ma. ed.
PURVES, W; D. SADAVA; G. H. ORIANS Y H. CRAIG HELLER. 2003. Vida. La ciencia de la Biología. Ed. Médica Panamericana. 6ta. ed.
RICKLEFF, R.E. 1998. Invitación a la Ecología. Ed. Médica Panamericana. 4ta. ed.
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TEMARIO DE PRÁCTICO PARA NIVEL II DE LA OAB ( S ó l o p a r a i n s t a n c i a N a c i o n a l ) I- MÉTODOS BIOLÓGICOS
*Maceración y técnica de aplastamiento de tejidos para observación en microscopio. *Teñido de células y preparación de extendidos para observación en microscopio. *Análisis exomorfológico de animales y plantas.
*Disección de plantas: flores (deducción de la fórmula floral), hojas, frutos y semillas. *Corte a “mano alzada” de tallos, hojas y raíces.
*Teñidos (por ejemplo, lignina) y realización de preparados de tejidos de plantas. *Identificación de pigmentos vegetales mediante técnicas sencillas.
*Experimentos sencillos de demostración de procesos fisiológicos en vegetales. *Disección de animales pequeños acuáticos y terrestres.
*Preparación y montaje de pequeños invertebrados para la observación de estructuras en la lupa.
*Técnicas de uso común en Fisiología Animal.
*Estimación de diversidad biológica: abundancia relativa, variedad específica, densidad poblacional.
*Estimación de la biomasa.
*Uso y construcción de claves dicotómicas.
*Identificación de las familias más comunes de plantas con flores. *Identificación de órdenes de insectos.
*Identificación de fila y clases de otros organismos.
II- MÉTODOS FÍSICOS Y QUÍMICOS
*Técnicas de separación; cromatografía, filtrado, electroforesis.
*Pruebas estándares de monosacáridos, polisacáridos, lípidos, proteínas. *Titulación.
* Preparación de soluciones y diluciones a partir de la solución madre.
*Manejo de instrumental volumétrico (ej: pipetas, probetas, balones, vaso precipitado, micropipetas).
III- MÉTODOS ESTADÍSTICOS
*Probabilidad y distribuciones de probabilidad (test de Student, Chi cuadrado Ψ). *Estimaciones de la media, mediana, porcentaje, varianza, desviación, estandar, error estándar.
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Importante: Para orientarlos en el trabajo práctico de los alumnos se recomienda en entrenamiento en la manipulación de:
*balanza (para masas pequeñas)
*aguja histológica y pinza (para organismos pequeños) *bureta, pipeta u otro material (para enrasar)
*cronómetro o timer (para estimación de tiempos)
*protocolo de trabajo (para identificar correctamente sus pasos) *bisturí u hoja de afeitar (para cortes sencillos)
*portaobjeto y cubreobjeto (para montar correctamente una muestra a observar en microscopio)
*organismos pequeños (para observación directa y descripción de características) *calculadoras no científicas (para cálculos sencillos)
*regla y lápiz (para elaboración de gráficas a escala en hojas lisas) *gráficos (para extracción de datos importantes)
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SITUACIÓN Nº 1
Introducción
Un grupo de estudiantes y su profesora de Biología realizaron una salida de campo para observar y colectar material de estudio de un ecosistema terrestre y acuático.
El ambiente cuenta con una laguna salada, rodeada de vegetación entre ellas juncos (Juncus spp.) y totoras (Typha dominguensis). En el agua pudieron
observar peces, anfibios, insectos y algas.
Cerca de la laguna quedan algunos manchones de bosque xerófilo de “chañares” (Geoffroea decorticans), “talas” (Celtis tala) y “espinillos” (Acacia caven). En el lugar abundan las aves que se refugian en los árboles y se
alimentan en la laguna.
Los alumnos tomaron muestras de las distintas especies vegetales acuáticas, palustres y terrestres, colectaron algunos animales terrestres y acuáticos con ayuda de redes y guardaron muestras de agua para observar al microscopio a su regreso.
Ampliando contenidos...
El ambiente Físico y los ecosistemas
Todo análisis causal de la distribución y de la vida en común de las plantas debe estar orientado de modo que aclare qué factores ambientales actúan en la residencia ecológica (biotopo).
El ambiente de cada planta viene determinado inmediatamente por los factores de radiación solar en forma de luz y temperatura (calor), así como por el agua y los factores químicos como base de todos los procesos de metabolismo y crecimiento.
Los factores ambientales o ecológicos primarios del ambiente en la naturaleza aparecen asociados a complejos secundarios de factores como el clima, el relieve y el suelo. En un lugar dado, con la relación al clima, al relieve y a la roca madre se selecciona una vegetación particular. Como productos específicos de las interacciones que tienen lugar se constituyen el suelo y el microclima.
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El siguiente esquema muestra la incidencia directa sobre las plantas de los factores ambientales conformados en complejos de factores ambientales o ecológicos.
Residencia ecológica
(particularidades del terreno) Ambiente (factores que actúan
inmediatamente) Clima: radiación, temperatura
del aire, precipitaciones, humedad atmosférica, niebla, viento, rayos, etc.
Luz: como fuente de energía para la asimilación de CO2 y como estímulo
Relieve: exposición,
inclinación, situación topográfica
Calor: necesario para
otros procesos
Suelo: granulación, estructura, humedad, agua freática, temperatura, pH, composición química, humus, material geológico de partida, etc.
Agua: potencial hídrico del aire y del sustrato
Factores bióticos: otros
vegetales, animales, influencia humana, etc.
Factores químicos:
tensión de CO2 pH, nutrientes, sobre todo (N y P), oligoelementos, concentración de sales, venenos, etc.
Plantas
El hombre es un componente más en la biocenosis, quien tiene la posibilidad de conocer las variadas interacciones entre el biotopo, la biocenosis, e intervenir en ellas, el siguiente esquema representa estas interacciones, considerado al hombre como el ser capaz de aprovechar la capacidad de producción de los ecosistemas naturales y artificiales en favor de la humanidad.
(extraído de Strasburger, 1997)
Factores climáticos y edáficos
Se entiende por clima al estado medio de la atmósfera y las variaciones regulares de los estados del tiempo. Los distintos climas del mundo están determinados sobre todo por la cantidad y la distribución en el curso del año del aporte de calor y de las precipitaciones.
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donde la precipitación anual supera a la evaporación potencial, se habla de climas húmedos, lo contrario determina los climas áridos. La formación de suelos permanentemente helados y la de una capa de agua freática, también están en relación con el régimen de temperaturas y precipitaciones. Las diferencias en las precipitaciones que se aprecian en el espacio y en el tiempo dependen de la altura del sol sobre el horizonte y de la circulación del aire sobre la superficie terrestre
El “macroclima” de la Tierra se transforma de modo variado en un “clima local” y en “microclimas” con relación al relieve, la exposición, la estructura del suelo, la cubierta vegetal, la acción del hombre, etc. Las influencias climáticas en los espacios menores y en los muy pequeños muestran a menudo una oscilación mucho más grande y valores extremos más separados entre sí que los del “macroclima”. Esto es muy importante porque los factores del clima local o del “microclima” son los que
actúan directamente sobre la vegetación. (Strasburger et al, 1997)
Suelo
El suelo se origina por alteración de la porción superior del manto rocoso de la Tierra (litosfera) con intervención de los organismos (biosfera). El conjunto de los
organismos vivientes propios del suelo recibe el nombre de édafon.
La litosfera se fragmenta y descompone de modo continuo por erosión y meteorización. Estos procesos resultan influidos de modo decisivo por el clima, con la acción del agua y las temperaturas, también lo son por el relieve y por los seres vivos. Pero no es menos importante para la formación del suelo la precipitación, la materia orgánica de la biosfera y de su descomposición por acción del édafon. Éste último comprende a animales de los grupos más distintivos que actúan como saprófitos, y numerosas bacterias y hongos en parte simbióticos que funciona como mineralizadores de la hojarasca, madera y los cadáveres de animales.
En los suelos forestales buenos, la masa animal (especialmente de lombrices) es de 20-80 g/m2 y la de bacterias alcanza hasta 0.3% del peso del suelo. La actividad de estos organismos depende mucho de las condiciones de vida existentes, bajo climas constantemente cálido-húmedos, la materia orgánica que cae se descompone rápidamente y se mineraliza; si por el contrario hace frío, hay pocos nutrientes, el suelo se acidifica, o si el agua se encharca y el oxígeno es escaso, tal descomposición es incompleta y se forma humus o turba. En estos casos los mineralizadores bacterianos se reducen significativamente. Bajo tales condiciones desfavorables también desaparecen la mayoría de los restantes organismos del suelo, como los fijadores de nitrógeno o algas que actúan como productores primarios; al mismo tiempo disminuye la respiración del suelo que vale como expresión de la intensidad de vida edáfica.
Las propiedades físico-químicas del suelo actúan como factores edáficos en forma muy variada sobre los colonizadores del suelo. Entre estas propiedades se pueden mencionar a la estratificación, estructura y los componentes, los cuales están íntimamente relacionados con el origen del mismo.
La estratificación de un suelo se reconoce sobre todo en su perfil. Encima de
todo se encuentra el mantillo no descompuesto (materia caída, horizonte AOO, o L). Le
suele seguir una capa de humus bruto, AO, en la que es posible distinguir, aún, a partir
del grado de descomposición progresiva de los restos orgánicos, una capa F de formación de moder (en que aún se reconocen las estructuras de los tejidos). Y una capa H de materias húmicas (sin restos de tejidos). Más abajo se aprecia la mezcla de las materias húmicas y los componentes minerales que llevan a cabo los animales del
suelo (ej. lombrices): horizonte A1, Muchas veces un horizonte lixiviado A2 más o menos
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C finalmente corresponde al material de origen (roca madre) del cual procede el suelo formado encima. En los suelos brutos jóvenes, esta estratificación apenas si se
aprecia. A menudo no se forman todos los horizontes mencionados, los horizontes A2 y
B, suelen constituirse sólo en regiones muy lluviosas.
Respecto de la estructura del suelo, es importante la relación entre el volumen de los poros (repletos de aire o agua edáfica) y el de los componentes sólidos, el tamaño de las partículas y la agregación de las partículas en grumos. En los suelos arenosos, predominan partículas de mayor tamaño y el volumen de agua de los poros es grande, por lo cual tiene buena aireación pero poca capacidad de retener agua. En cambio, las partículas finas predominan en los suelos limosos o arcillosos, en los cuales el volumen de poros y la aireación son escasos pero con buena capacidad para retener agua.
Los componentes más importantes del suelo son los minerales de arcilla y la materia húmica y coloidales provistos de una envoltura acuosa. En los medios ricos en
Ca++ se forman los llamados complejos arcilloso-húmicos, que son la base de la
grumosidad del suelo. Los minerales de arcilla, las sustancias húmicas y sus complejos fijan de modo reversible en sus capas limitantes conjuntos de iones que funcionan como intercambiadores entre la roca madre, la solución del suelo, los pelos radicales y los microorganismos. Gracias a ello la concentración de iones de la solución del suelo se estabiliza y se evita la lixiviación de los iones. Como se dijo antes, los distintos climas originan distintos tipos de suelo, muchas veces se reconoce un paralelismo evidente entre el desarrollo del suelo y el de la vegetación predominante. (Strasburger et al, 1997)
Agua
La mayoría de las plantas terrestres obtienen el agua que necesitan del suelo. La cantidad de agua que éste contiene y su disponibilidad para las plantas varía con su estructura física. El suelo consiste en granos de arcilla, limo y arena y en partículas de materia orgánica. Las partículas de arcilla producidas por el desagote de los minerales en ciertos tipos de roca madre, son las más pequeñas, los granos de arena derivados de los cristales de cuarzo que quedan después que los minerales más susceptibles al desgaste se eliminan de la roca, frecuentemente son los más grandes, las partículas de limo tienen un tamaño intermedio. El conjunto de estas partículas constituyen el esqueleto del suelo, el cual influye en la estructura física del suelo y en su capacidad para retener agua pero no desempeña un papel importante en sus transformaciones químicas.
El agua es pegajosa. La capacidad de las moléculas de agua para adherirse una a otra (la base de la tensión superficial) y a las superficies que tocan (acción capilar) hace que el agua se eleve en los tubos capilares contra la atracción de la gravedad. El agua también se adhiere firmemente a las superficies del esqueleto del suelo. Cuanto mayor sea esa superficie más agua podrá retener un suelo. Como la superficie total de las partículas en un volumen de suelo dado aumenta mientras disminuye su tamaño, los suelos arcillosos y los suelos limosos retienen más agua que las arenas gruesas, a través de las cuales el agua drena rápidamente.
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términos de equivalentes de la presión atmosférica. El peso del aire que está por
en-cima de nosotros es de 14,7 libras por pulgada cuadrada (aprox. 1 kg por cm2) a nivel
del mar; en el Sistema Internacional de Unidades, esto es igual a 101,325 pascales (0,1 megapascales). La atracción capilar retiene al agua en el suelo con una tensión aproximadamente 0, 1 atmósferas (atm) o 104 pascales (Pa). El agua que es atraída hacia las partículas del suelo con una fuerza menor que 0,1 atm, drena del suelo bajo la atracción de la gravedad y se une al agua subterránea por entre las grietas de la roca madre. La cantidad de agua retenida contra la gravedad por las fuerzas de
atracción mayores que 0,1 atm se denomina capacidad de campo del suelo.
Imaginemos una partícula de limo con un diámetro de 0,01 mm agrandada hasta el tamaño de esta página (x 25.000); la película de agua retenida a capacidad de campo por fuerzas de atracción capilar sería tan gruesa como la mitad del ancho de la página. Una fuerza equivalente a 0,1 atm puede elevar una columna de agua casi 1 metro. Sin embargo, es posible conjeturar que las raíces de las plantas pueden ejercer una tracción mucho mayor sobre el agua en el suelo porque los árboles más altos elevan el agua hasta las hojas a más de 100 metros por encima de la tierra, lo que equivale a una presión de alrededor de 10 atm. De hecho, la mayoría de las plantas pueden ejercer una tracción de unas 5 atm sobre el agua del suelo. Durante el estrés de la sequía el potencial hídrico del suelo aumenta regularmente a medida que las plantas extraen agua retenida por fuerzas menores que 15 atm. Cuando el potencial hídrico del suelo finalmente excede las 15 atm, la mayoría de las plantas ya no pueden extraer agua y se marchitan aunque siga quedando algo de agua en el suelo. Los ecólogos se refieren al potencial hídrico de 15 atm como el coeficiente de marchitamiento o punto de marchitamiento del suelo. A medida que el agua del suelo disminuye, el resto es retenido por fuerzas cada vez mayores en promedio, porque resta una mayor propor-ción de agua cerca de las superficies de las partículas del suelo. La figura muestra la relación entre el contenido de agua y el potencial hídrico en un suelo típico con una distribución más o menos pareja del tamaño de las partículas de arcilla, limo y arena (esos suelos se denominan francos). (Ricklefs, 1998)
Cuando un suelo de estas características se satura luego de una lluvia importante, contiene aproximadamente 45 gramos de agua por 100 de suelo secado en la estufa (45% de agua). A medida que el agua drena, el contenido de agua disminuye hasta una capacidad de campo de aproximadamente 32% de agua. El coeficiente de marchitamiento de un suelo franco típico es del 7% de agua aproximadamente.
La diferencia entre la capacidad de campo y el coeficiente de marchitamiento (un
25%) mide el agua disponible para las plantas. Las plantas obtienen el agua más
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Propiedades del agua
El agua es abundante sobre la mayor parte de la superficie terrestre y es líquida dentro del rango de temperaturas habituales. Muchas de las propiedades térmicas del agua son favorables para la vida. Por ejemplo, se debe agregar o eliminar una gran cantidad de calor para cambiar la temperatura del agua y el agua conduce rápidamente
el calor. Debido a estas dos propiedades, que se conocen como calor específico y
conductividad térmica del agua, las temperaturas de los organismos y de los ambientes acuáticos tienden a mantenerse relativamente constantes y homogéneas. El agua también resiste el cambio de estado entre las fases sólida (hielo), líquida y gaseosa (vapor de agua). Se debe agregar una energía unas 500 veces mayor para evaporar una cantidad de agua (el calor de vaporización) que para elevar su temperatura en 1ºC. El congelamiento exige la eliminación de 80 veces el calor (calor de fusión) necesario para bajar en 1ºC la temperatura de la misma cantidad de agua. Otra propiedad térmica es que aunque la mayoría de las sustancias se tornan más densas a temperaturas más frías, el agua se vuelve menos densa a medida que se enfría por debajo de los 4ºC. El agua también se expande y se torna menos densa con el congelamiento. En consecuencia, el hielo flota, lo que hace posible que los fondos de lagos y océanos no se congelen, permitiendo que las plantas y animales acuáticos encuentren allí sus refugios en invierno.
El agua tiene una gran capacidad de disolver sustancias, proporcionando a los organismos un medio en el cual pueden reaccionar para formar nuevos compuestos. Las propiedades del agua como solvente derivan de la fuerte atracción de sus moléculas hacia otros compuestos. Las moléculas consisten en átomos o grupos de átomos cargados eléctricamente denominados iones. La sal de mesa común, el cloruro de sodio (NaCl) contiene un átomo de socio con carga positiva y un átomo de cloro con carga negativa. En ausencia de agua, el sodio y el cloro se atraen entre sí y se combinan para formar moléculas de cloruro de sodio. Sin embargo, en el agua, los átomos de sodio y cloro cargados son atraídos tan fuertemente por las moléculas de agua, en comparación con la fuerza de los enlaces que los mantienen juntos en la sal, que la ésta se disocia fácilmente en sus átomos componentes; es otra forma de decir que la sal se disuelve.
Temperatura
Los procesos vitales, tal como los conocemos, sólo tienen lugar dentro del rango de temperaturas en el cual el agua es líquida: 0º-100ºC en la superficie de la tierra. Son relativamente pocos los animales y las plantas que pueden sobrevivir a temperaturas corporales superiores a los 45ºC. Sin embargo, algunas cianobacterias fotosintéticas toleran temperaturas de hasta 75ºC y algunas arqueobacterias pueden vivir en manantiales de agua caliente a temperaturas de hasta 110ºC. El agua caliente imparte una energía cinética elevada a los sistemas vivientes, lo que tiende a desplegar o desnaturalizar la estructura de las moléculas biológicas. Por lo tanto, la vida a temperaturas elevadas necesita que las proteínas y las membranas biológicas tengan intensas fuerzas de atracción dentro de las moléculas y entre ellas para resistir a la separación. Las proteínas de las bacterias termófilas ("amantes del calor") tienen proporciones sutilmente diferentes de aminoácidos en comparación con otros organismos que no toleran el calor; en consecuencia, las estructuras de estas proteínas se mantienen estables a temperaturas de hasta 95ºC o mayores.
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extensas regiones de la superficie terrestre. Cuando las células vivas se congelan, la estructura cristalina del hielo interrumpe la mayoría de los procesos vitales y puede dañar estructuras celulares delicadas y finalmente producir la muerte. Muchos tipos de organismos afrontan con éxito las temperaturas de congelamiento al mantener sus temperaturas corporales por encima del punto de congelamiento del agua o al activar mecanismos que les permiten resistir al congelamiento o tolerar sus efectos.
Se puede bajar el punto de congelamiento del agua con sustancias disueltas que interfieran en la formación de hielo. Por ejemplo, el punto de congelamiento del agua salada, que contiene aproximadamente 3,5% de sales disueltas, es -1,9ºC. La sangre y los tejidos corporales de la mayoría de los vertebrados contienen menos de la mitad del contenido salino del agua de mar y por lo tanto pueden congelarse a una temperatura mayor que la del punto de congelamiento del océano. Esto crea un problema para los peces que viven en los mares polares. La sangre más salada los ayudaría; por ejemplo, una solución de cloruro de sodio al 10% reduce el punto de congelamiento del agua en 10,5ºC; no obstante, la estructura y la función de las proteínas son sensibles a las altas concentraciones de sal, de modo que se trata de una solución poco práctica desde el punto de vista fisiológico. En cambio, los puntos de congelamiento de los líquidos corporales de muchos organismos marinos están reducidos por debajo del punto de congelamiento del agua por altas concentraciones de glicerol y glucoproteínas. Por ejemplo, una solución de glicerol al 10% reduce el punto de congelamiento del agua en alrededor de 2,3ºC. La presencia de estos compuestos similares a anficongelantes en la sangre y los tejidos de los peces antárticos, permiten que se mantengan activos en esa agua marina que es más fría que el punto de congelamiento normal de la sangre de los peces que viven en mares templados o tropicales. Los invertebrados terrestres también utilizan la estrategia anticongelante y sus líquidos corporales pueden contener hasta 30% de glicerol, en casos extremos, cuando llega el invierno.
El sobreenfriamiento brinda una segunda solución al problema del con-gelamiento. En ciertas circunstancias los líquidos se pueden enfriar por de bajo del punto de congelamiento sin que se desarrollen cristales de hielo. El hielo en general se forma alrededor de algún objeto, denominado núcleo, que puede ser un pequeño cristal de hielo u otra partícula. En ausencia de núcleos, el agua pura puede enfriarse hasta más de 20ºC por debajo de su punto de fusión, sin congelarse. El sobreenfriamiento ha sido registrado hasta -8ºC en reptiles y hasta -18ºC en invertebrados. Las glucoproteínas de la sangre de estos animales adaptados al frío impiden la formación de hielo al revestir los cristales en desarrollo, que de otro modo actuarían como núcleos. Por último algunos organismos, como los estadios hibernantes de muchos insectos de climas templados y boreales, pueden tolerar el congelamiento de la mayor parte o de toda el agua corporal. Estos organismos restringen la formación de hielo a los espacios intercelulares; en consecuencia, el hielo no destruye la estructura celular. Sin embargo, como las sales son excluidas del hielo cuando éste se congela, las sales presentes en sus cuerpos se concentran en el agua líquida dentro de las células. Por lo tanto, los organismos que toleran el congelamiento deben afrontar niveles de sales extremadamente altos en sus tejidos durante el invierno.
La temperatura tiene varios efectos opuestos sobre los procesos vitales. El calor aumenta la energía cinética de las moléculas y, de ese modo, acelera las reacciones químicas; la velocidad de cualquier proceso biológico habitualmente aumenta entre dos y cuatro veces por cada 10ºC de elevación en la temperatura en toda la gama
fisiológica. Este factor de aumento se denomina el Q10 de un proceso y se calcula por
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las proteínas, que equilibran los movimientos cinéticos naturales inducidos por el calor y las fuerzas de atracción química entre diferentes partes de la molécula. También dependen de la temperatura las propiedades físicas de las moléculas de grasa de las membranas celulares y las que muchos animales acumulan como reserva de energía alimentaria. Cuando hace frío las grasas se ponen rígidas; cuando hace calor, se toman líquidas.
Las enzimas funcionan bien sólo cuando adoptan la forma correcta. Con demasiado calor la molécula podría abrir su estructura y tendería a desplegarse; con demasiado frío podría cerrarse e impedir que los sustratos se fijaran correctamente a ella. En síntesis, las estructuras de las enzimas y otras moléculas les permiten funcionar de manera óptima dentro del límite normal de temperatura corporal del organismo.
Acidez
La acidez se refiere a la concentración de hidrogeniones (H+), ya sea en el
ambiente o en el organismo. La acidez suele medirse en una escala de pH, que es el logaritmo común negativo de la concentración de hidrogeniones. En el agua pura, una
pequeña fracción de las moléculas de agua (H2O) se encuentra disociada en sus iones
hidrógeno e hidroxilo (OH-). El pH del agua pura, definido como un pH neutro, es 7, lo
que significa que la concentración de hidrogeniones es de 10-7 (0,0000001) moles por
litro. En comparación, un litro de agua contiene casi 56 moles de moléculas de agua.
Los ácidos fuertes, como el ácido sulfúrico (H2SO4), se disocian mucho más fácilmente
cuando están disueltos en agua que la propia agua y producen concentraciones elevadas de hidrogeniones y un pH bajo. La mayoría de las aguas naturales contienen
ácidos débiles, como ácido carbónico (H2CO3) y varios ácidos orgánicos, y tienden a
mostrar valores de pH más cercanos al neutro. Muchas aguas naturales son algo
alcalinas (pH >7), como resultado de un exceso de OH- sobre H+. El rango normal de
pH se encuentra entre 6 y 9, aunque los pequeños charcos y los arroyos situados en las regiones con precipitación pluvial ácida, o que reciben el drenaje de regiones de minas de carbón, pueden alcanzar valores de pH de tan sólo 4.
Los hidrogeniones son extremadamente reactivos; en concentraciones elevadas afectan las actividades de la mayoría de las enzimas y presentan otras consecuencias generalmente negativas para los procesos vitales. La acidez limitante de las cianobacterias fotosintéticas tiene un pH de aproximadamente 4. Otros tipos de bacterias, denominadas bacterias acidófilas, toleran que la acidez descienda hasta casi un pH 0, pero mantienen su pH interno en el rango de 6 a 7. Además de sus efectos perjudiciales directos sobre los sistemas vivientes, los hidrogeniones también ayudan a disolver metales pesados altamente tóxicos, como el arsénico, el cadmio y el mercurio de las rocas y los suelos, y aumentan la lixiviación de nutrientes catiónicos beneficiosos como el calcio (Ca2+).
Potencial osmótico
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a) Este movimiento tiende a igualar las concentraciones de los iones entre el organismo y su entorno. El agua también se mueve a través de las
membranas (proceso denominado (ómosis) hacia
regiones de mayores concentraciones iónicas (o sea, menores concentraciones de agua) y tiende a igualar las concentraciones de las sustancias disueltas a ambos lados de la membrana. Esta tendencia de una
solución a atraer agua se conoce como su potencial
osmótico. En general el potencial osmótico de una solución se expresa como la presión necesaria para evitar que el agua difunda en una solución contenida dentro de una membrana semipermeable.
El siguiente diagrama muestra el potencial osmótico desarrollado por los solutos contenidos en una membrana semipermeable. Como los solutos se encuentra en alta concentración, el agua tiene a moverse a través de la membrana en el tubo invertido (a), dentro del túnel el volumen creciente empuja el líquido hacia arriba por el tallo. Luego la presión osmótica del líquido disminuye a medida que los solutos se tornan más diluidos, esto es equilibrado por la presión gravitacional ejercida por el líquido en el tallo (b).
El potencial osmótico presente en las raíces de los árboles permite que el agua ingrese a las mismas desde el suelo en contra de la atracción de las partículas de éste (el potencial hídrico del suelo también se expresa como presión).
Si el soluto responsable del potencial osmótico de una solución también puede difundir a través de las membranas celulares, su concentración dentro de las
células y su concentración en el agua circundante finalmente se equilibran, En este punto los potenciales osmóticos de la célula y su entorno serán iguales y no se producirá ningún movimiento neto de agua a través de la membrana celular. Esta igualación del potencial osmótico puede ser evitada por dos mecanismos. Primero, una
membrana puede ser semipermeable, lo que indica que algunas moléculas e iones
pequeños pueden difundir a través de ella, pero otros no. Cuando el potencial osmótico de una célula es generado por moléculas e iones demasiado grandes como para atravesar una membrana (algunos hidratos de carbono y las proteínas, por ejemplo), se mantiene la presión osmótica de la célula. Las membranas también pueden
transportar iones y moléculas pequeñas activamente, contra el gradiente de difusión, para mantener sus concentraciones dentro de la célula.
La concentración molar de una sustancia en solución (1 mol de una sustancia por litro) ejerce una presión osmótica de 21 atmósferas. La presión osmófica del agua de mar es de alrededor de 12 atm y la del agua dulce es prácticamente cero. Los líquidos corporales de los animales vertebrados, que tienen una presión osmótica del 30-40% de la del agua de mar (33 atm), ocupan una posición intermedia. Los tejidos de los peces de agua dulce tienen mayores concentraciones de sales que el agua
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circundante. Estos organismos, denominados hiperosmóticos, tienden a ganar agua
del entorno y a perder solutos hacia él. Los peces marinos, que tienen menores
concentraciones de sales que el agua circundante, se denominan hipoosmóticos y
tienden a ganar solutos y perder agua. Los peces resuelven estos problemas osmóticos utilizando mecanismos de transporte activo para bombear iones en una u otra dirección a través de distintas superficies corporales (piel, túbulos renales y branquias) y gastan considerable energía en este proceso.
Ciertos ambientes plantean problemas osmóticos especiales. En algunas cuencas cerradas existen ambientes acuáticos con concentraciones de sales mayores que las del agua marina, particularmente en las regiones secas donde la evaporación excede considerablemente a la precipitación. El Gran Lago Salado (20% de sal) de Utah y el Mar Muerto (23% de sal), ubicado entre Israel y Jordania, son ejemplos bien
conocidos de ambientes hipersalinos. Los potenciales osmóticos de estos cuerpos de
agua -muy por encima de 100 atm- succionarían el agua de la mayoría de los organismos. Sin embargo algunas criaturas acuáticas, como el camarón de agua salada (Artemia), pueden sobrevivir en agua salada concentrada hasta el punto de la cristalización (300 g por litro o 30%). El camarón de agua salada excreta sal a una velocidad prodigiosa para mantener las sales de sus líquidos corporales menos concentradas que las de su entorno.
Luz
La luz es la fuente primaria de energía de la biosfera. Las plantas verdes, las algas y algunas bacterias absorben luz y asimilan su energía por fotosíntesis, pero no toda la luz que alcanza la superficie terrestre puede ser utilizada de esta forma. El arco iris y los prismas muestran que la luz consiste en un espectro de longitudes de onda que nosotros percibimos como diferentes colores. En general las longitudes de onda de
la luz se expresan en micrómetros (µm: un millonésimo de un metro, 10-6 m) o en
nanómetros (nm: un mil millonésimo de un metro, 10-9m). La porción visible del
espectro, que corresponde a las longitudes de onda de luz apropiada para la fotosíntesis, varía entre unos 400 nm (violeta) y 700 nm (roja). La luz de longitudes de
onda menores de 400 nm constituye la parte ultravioleta del espectro; la luz de
longitudes de onda mayores de 700 nm se denomina infrarroja. El contenido de
energía de la luz varía con la longitud de onda y por ende con el color; la luz azul de longitud de onda más corta tiene un nivel energético mayor que la luz roja de longitud de onda más larga.
La luz solar que alcanza la parte superior de la atmósfera terrestre se extiende mucho más allá del espectro visible, desde la región ultravioleta y hacia los rayos X de alta energía y longitud de onda corta en un extremo del espectro y desde la región infrarroja hasta la radiación de baja energía y longitud de onda extremadamente larga como las ondas de radio en el otro extremo. Debido a su alto nivel energético la luz ultravioleta puede dañar las células y los tejidos expuestos. Afortunadamente, la atmósfera es totalmente transparente sólo para el rango visible del espectro. A medida que la luz atraviesa la atmósfera la mayoría de sus componentes ultravioletas son absorbidos, principalmente por una forma molecular del oxígeno conocida como ozono
(O3) que aparece en la atmósfera superior. De este modo la atmósfera protege la vida
24 (Ricklefs, 1998)
Ciertos contaminantes presentes en la atmósfera, en especial los clorofluorocarbonados (CFC) utilizados anteriormente como refrigerantes y como propulsores en las latas de aerosol, destruyen químicamente el ozono en la atmósfera superior. Esta degradación ha progresado tanto sobre algunas partes de la tierra que la radiación ultravioleta aumentó hasta niveles peligrosos.
La atmósfera también es relativamente opaca a la parte infrarroja del espectro. Esto significa que gran parte de la porción infrarroja de la luz solar es absorbida por la atmósfera, lo que contribuye a calentar el aire. Un efecto más importante de la opacidad infrarroja de la atmósfera es la absorción de radiación desde la superficie de la tierra. La mayor parte de la energía de la porción visible del espectro solar que alcanza la superficie de la tierra es absorbida por la vegetación, el suelo y las aguas superficiales, siendo luego convertida en calor. Este calor vuelve a ser irradiado desde la superficie calentada de la tierra hacia el espacio. Como la temperatura de la
superficie de la tierra es mucho menor que la del sol, la mayor parte del calor se vuelve
a irradiar como radiación infrarroja de baja intensidad. Gran parte de esta radiación es absorbida por la atmósfera, que de ese modo actúa como una manta que cubre la tierra y mantiene caliente su superficie. Como este efecto de calentamiento se asemeja a la
forma en que el vidrio mantiene caliente un invernadero, se lo denomina efecto
invernadero. Finalmente esta energía absorbida alcanza los niveles superiores de la atmósfera y se pierde en el espacio, pero a una velocidad mucho menor que la que tendría en ausencia de vapor de agua, dióxido de carbono y otros componentes del aire opacos a los rayos infrarrojos -los denominados gases de invernadero
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terrestre. La absorción de energía radiante depende de la naturaleza de la sustancia absorbente. El agua sólo absorbe débilmente la luz en la región visible del espectro; en consecuencia, un vaso de agua parece incoloro. Los colorantes y los pigmentos absorben mucho algunas longitudes de onda en la región visible y reflejan o transmiten luz de un color definido que se convierte en una característica distintiva. Las hojas
contienen varios tipos de pigmentos, particularmente clorofilas (verde) y carotenoides
(amarillo), que absorben la luz y aprovechan su energía, la relación entre la absorción de luz y la longitud de onda se presenta en la siguiente figura.
Los carotenoides, que brindan a las zanahorias su color anaranjado, absorben principalmente el azul y el verde y reflejan la luz en las regiones amarilla y anaranjada del espectro. La clorofila absorbe la luz roja y la violeta mientras refleja la verde y la azul.
Intensidad lumínica
Los ecólogos miden la intensidad de la luz como el contenido de energía de la
región fotosíntéticamente activa del espectro, entre las longitudes de onda de 400 y 700 nm. La intensidad puede ser expresada en distintas unidades, que incluyen el langley (ly), el watt (W) y el einstein (E).
La intensidad lumínica que alcanza el límite exterior de la atmósfera -la
denominada constante polar- es de aproximadamente 1.400 W m-2. En realidad, la
energía luminosa que llega a cada área sobre la superficie terrestre es mucho menor debido a los períodos nocturnos sin luz, a la baja incidencia de luz a la mañana, al atardecer y en las altas latitudes y a la cubierta de nubes. Un hábitat templado en un
día claro en verano podría recibir típicamente 350 W m-2 de región fotosintéticamente
activa (o sea, alrededor de un cuarto de la constante solar).
Con bajos niveles de luz la tasa de fotosíntesis varía en proporción directa con la intensidad luminosa. Sin embargo, la luz muy brillante satura los pigmentos fotosintéticos y la tasa de fotosíntesis aumenta más lentamente o se hace constante a medida que la intensidad aumenta por encima de un décimo más o menos de la luz solar máxima. La respuesta de la fotosíntesis a la intensidad luminosa tiene dos puntos
de referencia. El primero, denominado punto de compensación, es el nivel de
intensidad luminosa en el cual la asimilación fotosintética de energía equilibra la respiración. Por encima del punto de compensación el balance de energía de la planta es positivo; por debajo del punto de compensación el balance es negativo. El segundo
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fotosíntesis ya no responde a un aumento de la intensidad luminosa. Esto se muestra en la siguiente figura.
Entre las plantas terrestres, los puntos de compensación de las especies que
normalmente crecen a plena luz solar (un máximo de alrededor de 500 W m-2)
aparecen entre 1 y 2 W m-2. En general los puntos de saturación de estas especies se
alcanzan entre 30 y 40 W m-2, menos de un décimo del nivel de energía de la máxima
luz solar directa. Como cabría esperar, los puntos de compensación y de saturación de las plantas que crecen típicamente a la sombra se producen con menores intensidades luminosas.
El agua absorbe o dispersa suficiente luz como para limitar la profundidad de la capa marina iluminada por el sol. La transparencia de un vaso de agua es engañosa. En el agua de mar pura el contenido energético de la luz en la parte visible del espectro disminuye hasta un 50% del valor de superficie a una profundidad de 10 m y cae hasta menos del 7 % a 100 m de profundidad. Además el agua absorbe longitudes de onda más largas con mayor intensidad que las más cortas; casi toda la radiación infrarroja desaparece dentro del metro más superior del agua. Las longitudes de onda cortas (violeta y azul) tienden a difundirse cuando golpean moléculas de agua, de modo que no penetran muy profundamente. Como consecuencia de la absorción y de la difusión de la luz por el agua, hacia las profundidades predomina la luz verde. Los pigmentos fotosintéticos de las algas acuáticas guardan paralelo con este desplazamiento del espectro. Las algas que crecen cerca de la superficie de los océanos, como las algas
verdes Ulva (lechuga de mar), tienen pigmentos semejantes a los de las plantas
terrestres y absorben mejor la luz azul y roja. El alga roja de aguas profundas Porphyra
tiene pigmentos adicionales que le permiten utilizar más eficazmente la luz verde en la fotosíntesis.
La absorción de la luz por el agua limita la profundidad a la que pueden existir los organismos fotosintéticos a una zona bastante delgada cerca de la superficie. Esta
zona se denomina zona eufótica. El límite inferior de la zona eufótica, donde la
fotosíntesis equilibra la respiración, es el punto de compensación. Este punto puede ser definido en términos de profundidad o de nivel luminoso. En algunas aguas excepcionalmente límpidas de océanos y lagos el punto de compensación se puede ubicar a 100 metros por debajo de la superficie, pero ésta es una situación rara. En aguas productivas con fitoplancton denso o aguas turbias con partículas de limo en suspensión la zona eufótica puede ser de 1 metro de profundidad.
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El ambiente térmico
Gran parte de la radiación solar absorbida por el suelo, las plantas y los animales es convertida en calor. Cada punto de la superficie terrestre se calienta de día y se enfría de noche. A medida que el día se prolonga y el sol se eleva más alto en el cielo hacia el verano, el ambiente se torna más cálido; cada día se agrega más calor del que se pierde. La energía solar absorbida y la irradiación infrarroja terrestre calientan la atmósfera e impulsan los vientos. La luz absorbida por el agua es fuente de calor para la evaporación. Cada objeto y cada organismo intercambian continuamente calor con su entorno. Cuando la temperatura del ambiente excede la de un organismo, éste gana calor y se calienta. Cuando el ambiente es más frío, el organismo pierde calor y se enfría. El presupuesto de calor de un individuo incluye varios caminos de ganancias y de pérdidas de calor, estos caminos se muestran en la siguiente figura.
La radiación es la absorción o la emisión de energía electromagnética. Las fuentes de radiación en el ambiente incluyen al sol, al cielo (luz difusa) y al paisaje. Por la noche, los objetos que se han calentado a la luz solar irradian su calor almacenado hacia las partes más frías del ambiente y, finalmente, al espacio. Aunque nosotros no podemos ver esta radiación infrarroja, los cuerpos de los organismos, especialmente los de los pájaros de sangre caliente y los mamíferos, suelen ser los objetos "más brillantes" en la noche Como estamos mucho más calientes que el negro vacío del espacio, irradiamos cantidades enormes de energía al claro cielo nocturno. También podemos recibir radiación del vapor de agua de la atmósfera y de la vegetación, lo que equilibra algo de nuestra pérdida de radiación por la noche. Por eso es que, a una temperatura dada, uno se siente más caliente por la noche en un ambiente húmedo, particularmente si hay una cobertura de nubes.
La conducción es la transferencia de la energía cinética del calor entre sustancias en contacto. Por lo tanto, el vacío no conduce el calor. El agua, debido a su mayor densidad, conduce el calor más de 20 veces más rápido que el aire. La velocidad de conductancia entre dos objetos, o entre el interior y el exterior de un organismo, depende del aislamiento de la superficie (su resistencia a la transferencia de calor), del tamaño de su superficie y del gradiente de temperatura. Un organismo puede ganar o perder calor por conducción, dependiendo de su temperatura en relación con la del ambiente.
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temperaturas, particularmente sobre superficies a través de las cuales se transfiere calor por conducción. El aire conduce mal el calor. En aire calmo se forma una capa límite de aire sobre una superficie. Un cuerpo cálido tiende a calentar esta capa límite y a aumentar la velocidad de intercambio de calor por conducción. Esta convección que aleja al calor de la superficie corporal es la base de la "sensación térmica por viento" que escuchamos en el informe meteorológico vespertino. En un día frío el movimiento del aire causa la misma sensación que en un día aún más frío pero sin viento. Por ejemplo, un viento que sopla a 32 km por hora con una temperatura del aire de -7ºC tiene la misma potencia de enfriamiento que el aire calmo a -23ºC.
La evaporación de agua necesita calor. La evaporación de 1 g de agua de la superficie del cuerpo elimina 2,43 kilojoules (kJ) de calor a 30ºC. A medida que las plantas y los animales intercambian gases con el ambiente, se evapora algo de agua de sus superficies expuestas. En las plantas la evaporación de agua desde la superficie
de una hoja se denomina transpiración. La tasa de pérdida de calor por evaporación o
transpiración depende de la permeabilidad de la superficie al agua, de las temperaturas
relativas de la superficie y del aire y de la presión de vapor de la atmósfera. La
presión de vapor es una medida de la capacidad de la atmósfera para retener agua. Cuando la presión de vapor se expresa en atmósferas representa la fracción en peso de vapor de agua en el aire saturado. Así, a 30ºC la presión de vapor de agua es 0,042 atm, lo que indica que el aire puede mantener 4,2% de agua en peso. Cuando la temperatura del aire, saturado de agua, cae de 30ºC a 20ºC, su capacidad para mantener agua disminuye de 4,2 a 2,3% y la diferencia se condensa para formar nubes o precipitación.
Al igual que el calor, la humedad puede ser atrapada en la capa límite de aire que se forma sobre las superficies. La convección tiende a romper las capas límite y por lo tanto aumenta la pérdida de calor tanto por evaporación como por conducción. Como el aire caliente retiene más agua que el aire frío, tiene mayor potencial para evaporar el agua. En los climas cálidos el agua que se evapora de la piel y de las superficies respiratorias refresca a muchos animales. Para los animales de sangre caliente en climas más fríos la evaporación puede convertirse en un problema inevitable cuando el aire frío inhalado que contiene poca agua, se calienta en contacto con el cuerpo y las superficies respiratorias y acelera la evaporación. Es posible observar evidencias de esta pérdida de agua en los días fríos cuando el agua evaporada de las superficies cálidas de los pulmones se condensa al mezclar nuestro alimento con la atmósfera fría.
Flotación y viscosidad del agua y el aire
Como el agua es densa (800 veces más densa que el aire), proporciona un soporte considerable a los organismos que, después de todo, están compuestos principalmente por agua. Empero, los animales y las plantas también contienen huesos, proteínas, sales disueltas y otros materiales más densos que el agua salada y mucho más densos que el agua dulce. Estos materiales harían que los organismos se hundieran si no fuera por distintos mecanismos que reducen su densidad o retardan su velocidad de hundimiento. Muchos peces poseen una vejiga natatoria, pequeña estructura llena de gas cuyo tamaño puede ajustarse para igualar la densidad del cuerpo a la del agua circundante. Algunos ke1ps grandes, un tipo de alga hallada en aguas poco profundas, tienen bulbos llenos de gas que hacen flotar sus hojas hacia las aguas superficiales iluminadas por el sol.
La mayoría de las grasas y los aceites tienen densidades de entre 0,90 y 0,93 g
cm-3 (90-93% de la densidad del agua pura). Muchas algas unicelulares microscópicas
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(fitoplancton) contienen gotitas de aceite que compensan la tendencia natural de las células a hundirse. La flotación de los peces y otros organismos marinos grandes también aumenta por los lípidos acumulados. Los esqueletos y la musculatura reducidos y tal vez incluso la reducida concentración de sales de sus líquidos corpora-les hacen aún más livianos los cuerpos de los organismos acuáticos. Se ha argumentado que los vertebrados acuáticos mantienen bajas concentraciones osmóticas en su sangre y en sus líquidos corporales (alrededor de un tercio a la mitad de la del agua de mar) porque esas bajas concentraciones reducen la densidad. Al contrario de los peces óseos, los tiburones y las rayas carecen de una vejiga natatoria; para compensarlo, reducen las densidades de sus cuerpos por no depositar sales n-finerales en la mayoría de los huesos de sus esqueletos. El carbonato y el fostato de calcio, principales componentes del esqueleto mineralizado, tienen densidades cercanas a tres veces la del agua. La densidad del esqueleto cartilaginoso de los tibu-rones y las rayas es mucho menor: cercana a la del agua.
La elevada viscosidad del agua ayuda a flotar a algunos organismos que de otro modo se hundirían más rápidamente, pero obstaculiza el movimiento de otros. Los pequeños animales marinos poseen largos apéndices filamentosos que retardan el hundimiento. Las "alas" de las semillas de arce, el hilo de seda de la araña y los penachos de las semillas de diente de león cumplen una función similar y aumentan el rango de dispersión de algunos organismos terrestres. Por el contrario, los animales acuáticos de movimientos rápidos adoptan formas aerodinámicas para reducir el arrastre que sufre al moverse a través de un medio denso y viscoso. La caballa y otros peces rápidos de alta mar se aproximan mucho al cuerpo hidrodinámico de proporciones ideales. Por supuesto, el aire ofrece mucha menos resistencia al movimiento ya que tiene menos de 1/50 de la viscosidad del agua. Pero la atmósfera ofrece menos flotación. Para lograr elevarse contra la fuerza de gravedad los pájaros y otros organismos voladores gastan importantes cantidades de energía. (Ricklefs, 1998)
Referencias bibliográficas
* RICKLEFF, R.E. 1998. Invitación a la Ecología. Ed. Médica Panamericana. 4ta. ed. * STRASBURGER, E., F. NOLL, H. SCHENK Y A. F. W. SCHIMPER. 1994. Tratado de Botánica. Ediciones Omega SA. 8va. ed.
1- En la laguna observaron varias especies de peces y pudieron atrapar algunas
mojarritas (Astianax sp.). Los peces pertenecen al Phylum Chordata. Éste se distingue
de los otros Phyla porque poseen:
a) notocorda, cordón nervioso ventral, hendiduras branquiales faríngeas y cola posanal. b) notocorda, cuerpo segmentado, somitos musculares y hendiduras branquiales faríngeas.
c) notocorda, cordón nervioso tubular dorsal, hendiduras branquiales faríngeas y cola posanal.
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2- La vejiga natatoria de la mojarrita (pez óseo) tiene la función de:
a) suplementar a las branquias en la respiración. b) controlar la flotabilidad.
c) controlar la dirección de la natación. d) almacenar desechos nitrogenados.
3- La circulación en los peces recorre el siguiente circuito:
a) venas- aurícula única- ventrículo único- branquias- aortas.
b) venas- aurícula única- ventrículo derecho- ventrículo izquierdo- branquias.
c) aortas- aurícula derecha- ventrículo derecho- branquias- aurícula izquierda- ventrículo izquierdo- venas.
d) aortas- aurícula derecha- aurícula izquierda- ventrículo único- branquias- venas.
4- Si se sumerge una mojarrita en agua destilada:
a) se deshidratará al perder agua por estar en un medio hipertónico. b) se deshidratará al perder agua por estar en un medio hipotónico. c) le entrará agua por estar en un medio hipertónico.
d) le entrará agua por estar en un medio hipotónico.
5- En el caso de los mamíferos la osmoregulación está controlada por las hormonas:
a) aldosterona y tiroxina. b) progesterona y antidiurética.
c) aldosterona y antidiurética. d) tiroxina y progesterona.
6- Otro factor a regular en los mamíferos es la alta concentración de glucosa. Esto lo realiza:
a) el glucagón sintetizado en el páncreas. b) la tiroxina sintetizada en la tiroides.
c) la insulina sintetizada en el páncreas. d) la gastrina sintetizada en el estómago.
7- Los alumnos observan la laguna y discuten si se encuentran en presencia de una comunidad o un ecosistema. Una comunidad está formada por:
a) un conjunto de individuos pertenecientes a la misma población.
b) un conjunto de individuos pertenecientes a distintas especies compartiendo un tiempo y espacio en común.
c) las especies actuales más las especies fósiles.
d) un conjunto de individuos pertenecientes a la misma especie. 8- Comunidad y ecosistema se relacionan porque:
a) tienen el mismo nivel de organización ecológico.
b) un ecosistema se encuentra dentro de una comunidad. c) una comunidad se encuentra dentro de un ecosistema. d) están formados por organismos y componentes abióticos.
9- En la orilla de la laguna encontraron sapos. El sapo común (Bufo arenarum) tiene un
número cromosómico de 22. ¿Cuántos cromosomas tienen sus gametas?
