12.2: La biosfera

Última actualización
Guardar como PDF

Page ID: 69687

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

La biosfera consiste en todos los organismos vivos y los materiales y estructuras producidos por los organismos vivos. Existe una conexión muy estrecha entre la biosfera y la química verde, entre las que se incluyen las siguientes:

Los organismos vivos producen una amplia gama de materiales que son utilizados por los humanos para una variedad de propósitos.
En la antrosfera se generan grandes cantidades de sustancias incluyendo pesticidas y fertilizantes para su uso en el control de plagas y mejorar el crecimiento y la salud de los organismos en la biosfera.
La reducción del uso y generación de sustancias tóxicas en la antrosfera está diseñada para prevenir daños a los humanos y otros organismos en la biosfera.
Las condiciones ambientales determinadas en gran medida por las actividades antrosféricas afectan fuertemente a los organismos de la bios

Los organismos individuales de la biosfera y los organismos que interactúan en los ecosistemas pueden enseñar mucho a los humanos sobre cómo aplicar la química verde. Un aspecto importante en el que esto se hace es por las condiciones suaves en las que los organismos realizan síntesis químicas complejas. Los organismos vivos solo pueden funcionar dentro de rangos de temperatura estrechos que están cerca de aquellos que los humanos encuentran cómodos. (Incluso las temperaturas de 90-100 C bajo las cuales funcionan las bacterias termófilas en aguas termales y lugares similares no están muy lejos de las condiciones de la habitación). Por lo tanto, las reacciones catalizadas por enzimas que llevan a cabo los organismos ocurren en condiciones mucho más suaves que las condiciones a menudo de alta temperatura y alta presión de la síntesis química convencional. Además, los organismos no pueden tolerar sustancias altamente tóxicas que a menudo se utilizan en la síntesis química, cuya eliminación es un objetivo primordial de la práctica de la química verde.

Otra lección que los organismos vivos proporcionan para una antrosfera que opera de manera eficiente es en las relaciones entre organismos entre sí y con su entorno en ecosistemas biológicos. La gran variedad de ecosistemas de este tipo que han evolucionado a lo largo de cientos de millones de años de evolución han tenido que ser sustentables para sobrevivir, reciclando completamente los materiales y preservando y mejorando su entorno. Esto contrasta con la forma en que han evolucionado los sistemas antrosféricos, especialmente durante los dos últimos siglos de la revolución industrial. En general, los seres humanos y sus sistemas industriales han explotado recursos no renovables y han contaminado el agua, el aire y la tierra de una manera que simplemente no se puede sostener. Los humanos tienen mucho que aprender de la biosfera respecto a cómo operar la antrosfera de manera sostenible (ver la discusión de la ecología industrial en el capítulo 13) en el que diversas empresas componen ecosistemas industriales sustentables análogos a los ecosistemas de la biosfera.

Biología

La biología es la ciencia de la vida y los organismos que componen la vida. Entonces, ¿qué es la vida? Los biólogos definen a los organismos vivos como aquellos que comparten (1) constitución por clases particulares de moléculas de vida, (2) organización jerárquica, (3) capacidad para llevar a cabo procesos metabólicos, (4) capacidad de reproducción, (5) desarrollo y (6) herencia

Los tipos de moléculas que comprenden los organismos vivos se discutieron en el Capítulo 7. Recordemos que se trata de proteínas compuestas por polímeros de aminoácidos que contienen nitrógeno, carbohidratos consistentes en moléculas pequeñas y polímeros con una fórmula simple aproximada de CH ₂ O, lípidos definidos por su propiedad de solubilidad en disolventes orgánicos, y ácidos nucleicos que son polímeros largos de azúcares, bases que contienen nitrógeno y fosfato. Dos de estos tipos de materiales a menudo se unen entre sí como moléculas híbridas. Junto con el agua y algunos tipos de sales conforman la materia en organismos vivos. Literalmente miles de tipos de características estructurales y funcionales son posibles con los cuatro tipos de moléculas mencionadas anteriormente. Por ejemplo, las proteínas comprenden tejido muscular y conforman las moléculas enzimáticas que actúan como catalizadores para permitir que se produzcan reacciones bioquímicas. Un carbohidrato simple, la glucosa, C ₆ H ₁₂ O ₆, es el principal producto orgánico generado por la fotosíntesis vegetal y está presente en los flujos de sangre de los animales. Un gran número de moléculas de glucosa unidas juntas forman la celulosa polimérica que es el material estructural en las plantas. Los lípidos constituyen las membranas cruciales que encierran las células vivas. Y los ácidos nucleicos componen el material genético que regula la función celular y la reproducción.

La organización jerárquica se aplica a los organismos vivos desde el nivel de los átomos hasta la biosfera en su conjunto. Las proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos en los organismos vivos se organizan en distintos cuerpos microscópicos contenidos en las células y llamados orgánulos. Las células son cuerpos de varios micrómetros (μm) de tamaño que son los bloques básicos de construcción de los organismos en que son los cuerpos más pequeños de organismos que pueden existir independientemente (incluso las células de los humanos pueden cultivarse en cultivos celulares fuera del cuerpo, dados los nutrientes y condiciones apropiados). En organismos superiores las células con funciones similares comprenden tejidos y los tejidos a su vez conforman órganos, los cuales pueden organizarse en sistemas completos de órganos. Un organismo es una colección de órganos y sistemas de órganos. Los organismos de la misma especie ensamblados en un grupo comprenden una población y un grupo de poblaciones existentes en el mismo lugar forma una comunidad. Numerosas comunidades que viven en un área ambiental particular, interactuando entre sí y con su entorno, conforman un ecosistema. Por último, todos los ecosistemas de la Tierra comprenden toda la biosfera.

El proceso de metabolismo es lo que ocurre cuando los organismos median procesos químicos (bioquímicos) para obtener energía, elaborar las materias primas requeridas para los tejidos en los organismos o modificar las materias primas para este propósito, y reproducirse. A pesar de que existen miles de reacciones metabólicas diferentes, destacan dos. El primero de ellos es la fotosíntesis que se muestra en la Reacción 12.3.1 en la que las plantas utilizan energía lumínica para convertir CO ₂ inorgánico y H ₂ O en azúcar de glucosa, C ₆ H ₁₂ O ₆. El segundo tipo importante de reacción metabólica es la imagen especular de la fotosíntesis, respiración celular en la que la glucosa se oxida a CO ₂ y H ₂ O, dando energía que es utilizada por el organismo. Un aspecto interesante de la conversión y utilización de la energía en el metabolismo es que todos los organismos utilizan la especie química de alta energía adenosina trifosfato, ATP, (fórmula estructural que se muestra en el Capítulo 7, Sección 7.8) para transferir, convertir y almacenar energía.

Todos los organismos se reproducen para producir descendencia para continuar con la especie. Además de continuar una especie, la reproducción permite que ocurra una evolución que da como resultado nuevas especies.

El desarrollo es el proceso que ocurre a medida que un organismo avanza de un óvulo fertilizado a un juvenil y a la edad adulta. El desarrollo ocurre en formas de vida superiores (obvio en bebés humanos) e incluso las bacterias unicelulares que se reproducen por división celular experimentan desarrollo a medida que las células crecen y producen orgánulos adicionales antes de su posterior división.

La herencia se refiere al proceso por el cual los rasgos característicos de una especie de organismo se transmiten a generaciones posteriores. La herencia ocurre a través de la acción del ADN. La herencia es el mecanismo por el cual los organismos han experimentado evolución y adaptación a su entorno.

Los organismos que comprenden seres vivos en la biosfera varían en tamaño y complejidad desde células bacterianas individuales de menos de un micrómetro en dimensiones hasta ballenas gigantes y seres humanos capaces de pensar y razonar y pueden dividirse en varios reinos. Las arquebacterias y las eubacterias son generalmente organismos unicelulares sin núcleos distintos y definidos. Los protistas son generalmente organismos unicelulares que tienen núcleos celulares y pueden exhibir estructuras bastante intrincadas. Los otros tres reinos son Plantae (plantas), Animalia (animales) y Hongos tipificados por mohos y hongos.

Los organismos se clasifican de acuerdo con sus fuentes de alimentación y energía y su utilización de oxígeno. Los autótrofos sintetizan sus alimentos y biomasa a partir de sustancias inorgánicas simples, generalmente utilizando energía solar para realizar fotosíntesis. Los quimiautótrofos median reacciones químicas inorgánicas por su energía. Los heterótrofos, incluidos los humanos, derivan su energía y biomasa del metabolismo de la materia orgánica, generalmente biomasa de plantas. Los organismos óxicos (aeróbicos) requieren oxígeno, mientras que los organismos anóxicos (anaeróbicos) utilizan fuentes alternas de oxidantes. Los organismos facultativos pueden usar oxígeno u otros oxidantes dependiendo de las condiciones.

La biosfera está muy influenciada por las otras esferas ambientales. En un ambiente donde las temperaturas son moderadas, abundante sol y nutrientes fácilmente disponibles, la biosfera consiste en diversos grupos de organismos que interactúan y son codependientes dentro de ecosistemas prósperos. En condiciones extremas, puede haber sólo unos pocos organismos que componen la biosfera localizada, especializados para existir a temperaturas extremas, altas acideces, altos niveles de contaminantes, u otras condiciones que hacen la vida imposible para la mayoría de los organismos.

Así como la biosfera está fuertemente influenciada por el entorno en el que se encuentran los organismos, tiene una fuerte influencia sobre su entorno. Los organismos actúan para descomponer rocas inhóspitas para formar un suelo que soporta una variedad de plantas. El oxígeno en la atmósfera, del que todos dependemos para nuestra existencia, fue puesto ahí por la fotosíntesis realizada por bacterias capaces de fotosíntesis. La naturaleza de la antrosfera que los humanos han construido está influenciada por la biosfera; ejemplos incluyen viviendas construidas de madera, y refugios y ropa utilizada por los nativos americanos de las llanuras hechas de pieles de bisonte.