La Vida en la Tierra
Niveles de Organización Biológica
La materia es todo lo que ocupa un lugar en el universo. Esta se ha estudiado mediante niveles de organización, que incluyen todo lo que existe, desde los átomos hasta el planeta completo. Así, los organelos forman células, que forman tejidos, que constituyen órganos, que componen sistemas y dan origen a los individuos.
Las células se dividen en procariotas y eucariotas. Estas últimas pueden ser animales o vegetales, cada una con diferentes características y funciones, que dependen de la presencia o ausencia de organelos.
Las células animales, mediante la respiración celular, producen energía mediante el consumo de materia orgánica. Las células vegetales poseen cloroplastos que transforman la materia inorgánica en energía a través de la fotosíntesis.
Tipos de Nutrición
Se define como nutrición a la función de los seres vivos mediante la cual la célula forma materiales propios y obtiene energía a partir de los alimentos que toma del exterior o los que produce por sí misma, formando nuevas estructuras, reponiendo los materiales gastados y obteniendo energía para realizar sus actividades. Se pueden distinguir dos modalidades de nutrición celular: autótrofa y heterótrofa, atendiendo a la naturaleza química de la materia que se incorpora como nutrientes y a la fuente de energía que se utiliza.
Los autótrofos producen su propio alimento a partir de energía lumínica, si son fotoautótrofos; mientras que los quimioautótrofos la producen a partir de sustancias químicas a través de la quimiosíntesis, donde la materia inorgánica se transforma en orgánica mediante el aporte de energía química que procede de ciertas reacciones producidas en el medio celular y que solo la presentan algunos grupos de bacterias.
Nutrición unicelular heterótrofa:
Transcurre en las siguientes etapas:
- Incorporación de materia orgánica: la célula atrapa las partículas alimenticias y las engloba en una vacuola digestiva (captura e ingestión).
- Digestión: los alimentos son transformados en moléculas sencillas que pasan al citoplasma. Los restos que han quedado sin digerir quedan en la vacuola y luego se expulsan al medio.
- Utilización de la materia orgánica: Respiración celular y anabolismo, donde la célula sintetiza moléculas orgánicas complejas (proteínas, grasas, ácidos nucleicos) que utiliza para la construcción de nuevas estructuras celulares necesarias para su crecimiento y reproducción.
- Excreción: es la expulsión al exterior, a través de la membrana celular, de los productos de desecho del metabolismo (dióxido de carbono, amoníaco, urea, etc.).
Metabolismo
Así como los automóviles necesitan de la gasolina y de un proceso mediante el cual esta mueva al motor, nosotros necesitamos de un proceso que convierta los alimentos en energía que haga funcionar cada una de nuestras células.
El metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas mediante las cuales un organismo intercambia materia y energía con el medio. Estas reacciones se llevan a cabo en la célula y están reguladas por medio de biocatalizadores denominados enzimas, permitiendo las diversas actividades de las células, entre ellas: el movimiento, la nutrición, el crecimiento, la reproducción y la respuesta a estímulos, entre otras.
El metabolismo se divide en dos procesos: el catabolismo y el anabolismo; ambos procesos dependen el uno del otro. En el primero, se llevan a cabo reacciones de degradación, esto quiere decir que se producirán moléculas simples a partir de moléculas complejas, mediante una ruptura que liberará energía. Ejemplo de esto es la glucólisis, en donde, a partir de una molécula de glucosa, se obtienen dos moléculas de ácido pirúvico, liberando energía en forma de ATP y NADH. Otros ejemplos son la digestión y la respiración celular.
En el anabolismo, por su parte, se llevarán a cabo reacciones de síntesis, lo que quiere decir que se formarán sustancias complejas a partir de moléculas simples. Estas reacciones requieren energía, que generalmente es suministrada a través de la liberada en los procesos catabólicos. Ejemplo de estas reacciones son: la síntesis de proteínas a partir de aminoácidos, la fotosíntesis y la gluconeogénesis.
Biomoléculas Energéticas: ATP, NADH, FADH
Las biomoléculas son todas las moléculas (conjunto de elementos químicos) que forman parte de los seres vivos. En este sentido, como parte de los procesos metabólicos, participan biomoléculas energéticas para generar la energía que requieren las rutas del metabolismo de los seres vivos.
El ATP, cuyo nombre completo es adenosín trifosfato, es la molécula de intercambio de energía bioquímica. Está compuesta de una base nitrogenada, un azúcar de cinco carbonos (ribosa) y tres grupos fosfato, lo que explica su nombre. También llamada “moneda energética”, el ATP se produce en las mitocondrias de las células y se puede obtener a partir de los carbohidratos, del glucógeno que almacenamos y de las grasas. Cuando nuestro cuerpo necesita energía, el agua ayuda a romper el ATP, desprendiendo uno de los 3 grupos fosfato que posee. En este proceso se libera una gran cantidad de energía que es aprovechada por la célula, convirtiendo el ATP en ADP (adenosín difosfato). Esta energía es la que utilizamos para mantener todos nuestros procesos metabólicos, para las actividades físicas y cualquier requerimiento energético de nuestro organismo.
La nicotinamida adenina dinucleótido fosfato o NADPH es una coenzima reducida que juega un papel clave en la síntesis de los hidratos de carbono en los organismos fotosintéticos. Es la forma reducida de la NADP+ y, como tal, es una molécula de alta energía que ayuda a impulsar el ciclo de Calvin. La NADPH se forma durante la fotosíntesis con el uso de la energía de la luz en la cadena de transporte de electrones de los cloroplastos.
Respiración Celular
La respiración celular aeróbica se desarrolla en cuatro etapas. La primera etapa se llama glucólisis y ocurre en el citosol; la glucosa entra a la célula y, mediante procesos enzimáticos, cambia su estructura química 10 veces hasta convertirse en piruvato. Durante estas transformaciones se liberan ATP.
La segunda fase de la respiración celular aerobia es la descarboxilación oxidativa. La tercera etapa es la fosforilación oxidativa, que se lleva a cabo en la matriz mitocondrial. En todas las etapas, las moléculas se van transformando y liberando energía.
La nutrición en los organismos abarca 5 etapas: digestión, respiración, circulación, metabolismo y excreción. Los alimentos nos proporcionan proteínas, lípidos y carbohidratos. La glucosa es un glúcido simple que, al igual que el oxígeno, es transportado por el sistema circulatorio a las células. Cuando ambas moléculas ingresan, entran en un proceso llamado respiración celular aerobia (metabolismo catabólico), en el que la glucosa se transforma por procesos enzimáticos en varias moléculas, durante las cuatro fases del proceso, produciendo ATP en células eucariotas y dióxido de carbono. Posteriormente, las sustancias de desecho son transportadas nuevamente por el sistema circulatorio hasta el sistema excretor, donde son expulsadas del organismo. Siendo este el proceso de obtención de energía en los organismos heterótrofos.
Fotosíntesis
Los seres fotoautótrofos se nutren a partir de agua, CO2 y luz solar, en un proceso llamado fotosíntesis, el cual posee dos fases: clara y oscura. La primera se da en presencia de luz y la segunda en su ausencia. Como producto de este proceso se obtiene glucosa y oxígeno, los cuales se incorporarán a la atmósfera y a la red trófica.
El fitoplancton produce más de la mitad del oxígeno del planeta, convirtiéndolo en el principal productor, seguido de selvas y bosques.
El proceso fotosintético cambió la atmósfera primitiva aportando O2 y convierte materia inorgánica en orgánica a través de la luz, funcionando como base de las redes tróficas.
La fotosíntesis es un proceso químico que ocurre en plantas, algas y algunos tipos de bacterias, que consiste en la transformación de la energía de la luz solar en energía química. En este proceso, se combinan agua y dióxido de carbono para producir carbohidratos (azúcares) y liberar oxígeno.
La fotosíntesis es fundamental para la vida de los animales y las plantas, ya que:
- Limpia el aire que respiramos
- Mantiene el equilibrio de los gases atmosféricos
- Proporciona a los organismos energía y carbono fijo (orgánico)
La fotosíntesis se puede representar con la ecuación 6 CO2 + 6 H2O + luz –> C6H12O6 + 6 O2.
Para que se lleve a cabo la fotosíntesis, se necesitan los siguientes elementos: Sol (energía solar), gas carbónico (CO2), clorofila, agua, sales minerales.
El Sol Como Fuente de Energía
En nuestro planeta, la principal fuente de energía es el Sol. La gran cantidad de energía que este produce llega a nuestro planeta en forma de radiación electromagnética que nos da luz y calor, y de esta manera hace posible la vida. La radiación solar permite que las plantas crezcan (fotosíntesis) y sirvan de alimento a los animales herbívoros, y estos, a los animales carnívoros (redes tróficas).
La radiación solar, al pasar por la atmósfera, sufre un proceso de debilitamiento por la dispersión (debida a los aerosoles), la reflexión (por las nubes) y la absorción (por las moléculas de gases y por partículas en suspensión); por lo tanto, la radiación solar reflejada o absorbida por la superficie terrestre (océano o continente) es menor a la del tope de la atmósfera.
La dispersión de la luz es su descomposición en colores. Las longitudes de onda toman ángulos distintos y los colores se separan. Siguen el orden del arcoíris: el color rojo tiene la longitud de onda más larga y el violeta la más corta.
Los gases de la atmósfera dispersan más efectivamente las longitudes de onda más cortas (violeta y azul) que las longitudes de onda más largas (naranja y rojo). Esto explica el color azul del cielo y los colores rojo y naranja del amanecer y atardecer.
La capacidad de reflexión o fracción de la radiación reflejada por la superficie de la tierra o cualquier otra superficie se denomina albedo. En nuestro planeta es del 30%; esta energía se pierde y no interviene en el calentamiento de la atmósfera.
Una vez que la radiación alcanza la superficie de la tierra, se divide en:
- Radiación directa: es la que proviene directamente del sol y causa la principal de las sombras que producen los objetos.
- Radiación difusa: es aquella que proviene de la atmósfera debido a la desviación que se produce en la onda, debido a que las partículas están presentes en la atmósfera (fenómeno de dispersión). Este componente toma valores de entre 15% de la radiación total en los días más soleados, y va aumentando a medida que el cielo está más nublado. Este tipo de radiación es la culpable de que te broncees aún cuando está nublado.
- Albedo o radiación reflejada: es la que proviene de la reflexión de la superficie terrestre.
Latitud
La latitud determina la inclinación con la que inciden las radiaciones y la diferencia de la duración del día. Cuanto más directamente incide la radiación, más calor aporta a la Tierra.
Las variaciones de la insolación que recibe la superficie terrestre se deben a los movimientos de rotación (variaciones diarias) y de traslación (variaciones estacionales). Las variaciones en latitud son producidas por la inclinación del eje de rotación de la Tierra. El ángulo de incidencia de los rayos del Sol no es el mismo en verano que en invierno, siendo la causa principal de las diferencias estacionales.
Cuando los rayos solares inciden con mayor inclinación, calientan mucho menos, porque el calor atmosférico tiene que repartirse en un espesor mucho mayor de atmósfera, con lo que se filtra y dispersa parte de ese calor. Una mayor inclinación en los rayos solares provoca que estos tengan que atravesar mayor superficie atmosférica, atenuándose más que si incidieran perpendicularmente. Los rayos solares inciden con mayor inclinación durante el invierno, por lo que calientan menos en esta estación.
La Atmósfera
Es una capa gaseosa de aproximadamente 10 000 km de espesor que rodea la litósfera e hidrósfera. Está compuesta de gases y de partículas sólidas y líquidas en suspensión atraídas por la gravedad terrestre. En ella se producen todos los fenómenos climáticos y afectan al planeta, regula la entrada y salida de energía de la Tierra y es el principal medio de transferencia del calor. Se divide teóricamente en varias capas concéntricas sucesivas. Estas son, desde la superficie hasta el espacio exterior: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera o ionosfera y exosfera.
- Troposfera: Es la capa más cercana a nuestro planeta, siendo la capa más densa de la atmósfera, y en ella se originan los fenómenos meteorológicos. Consta, en particular, del 99% de dos gases: el nitrógeno (N2, 78%) y oxígeno (O2, 21%). El 1% que resta consta principalmente de argón (Ar, 1%) y dióxido de carbono (CO2, 0,035%).
- Estratosfera: Se encuentra ubicada por encima de la troposfera y por debajo de la mesosfera; va de los 16 a los 50 km de altura. En esta capa se encuentra el ozono, por lo que también es conocida como capa de ozono. Esta capa nos protege de la radiación ultravioleta.
- Mesosfera: Se extiende desde los 50 hasta los 85 km de altura. En esta capa se encuentra el campo magnético de la Tierra, el cual refleja otro tipo de radiación: los vientos solares, los cuales constituyen la atmósfera del Sol.
- Termosfera o Ionosfera: Se extiende desde una altura de casi 80 km sobre la superficie terrestre hasta aproximadamente 640 km. Los gases de la atmósfera que se ubican en esta capa se encuentran cargados de electricidad o ionizados, lo cual permite la transmisión de ondas de radio y hace posibles las telecomunicaciones. Otro aspecto importante es que en esta capa se despliegan las auroras boreales, las cuales son el resultado del reflejo de los vientos solares en el campo magnético de la mesosfera.
- Exosfera: Es la capa más alejada de la superficie terrestre y, debido a su altura, que va de los 690 a los 10 000 km aproximadamente, es la más amplia o extensa de las capas de la atmósfera. Su principal característica es que representa la zona de transición entre la atmósfera de la Tierra y el espacio exterior. Aquí, las temperaturas durante el día son muy elevadas debido a la radiación solar.
Conclusión
La principal fuente de energía de nuestro planeta es el Sol; su radiación nos da luz y calor. Al llegar a la Tierra, una parte de esta energía es reflejada, otra parte se dispersa y la tercera parte es absorbida por los gases de la atmósfera, generando el efecto invernadero.
La radiación no llega uniformemente a nuestro planeta debido a su forma, inclinación y posición con respecto al Sol, concentrando la mayor cantidad de energía en la zona ecuatorial y generando un gradiente de temperatura que disminuye hacia los polos.
Este gradiente de temperatura provoca que las corrientes marinas y los vientos del ecuador sean más cálidos, generando celdas de circulación atmosféricas y corrientes marinas que llevarán calor hacia los polos.
El aumento de temperatura en la zona tropical provoca también mayor evaporación y precipitación, que trae como resultado una mayor productividad y, por tanto, mayor biodiversidad. Coincidiendo en que los gradientes de temperatura, precipitación y biodiversidad son mayores en el ecuador y menores en los polos.