Suelos y Humedad

Potencial del agua: medida de la energía potencial del agua, indica la tendencia del agua a moverse de un lugar a otro (gravedad, presión, potencial osmótico, potencial de matriz).

Potencial de matriz: energía potencial generada por las fuerzas de atracción entre las moléculas del agua y las partículas del suelo, ocurre porque moléculas y partículas tienen cargas eléctricas.

Capacidad de carga: capacidad máxima de agua que las partículas de un suelo pueden retener en contra de la gravedad.

Punto de marchitez: potencial del agua al cual la mayor parte de las plantas no pueden obtener más agua del suelo, aproximadamente –1.5 MPa.

Saturación, Capacidad de Carga y Punto de Marchitez

Cuando un suelo saturado se drena, la fuerza de gravedad sobre las moléculas de agua se opone igualmente a la fuerza de atracción de las partículas del suelo sobre las moléculas de agua. La cantidad máxima de agua retenida por las partículas del suelo contra la fuerza de gravedad se denomina capacidad de campo del suelo. La capacidad de campo, ilustrada en la figura 4.2b, representa la cantidad máxima de agua disponible para las plantas. A medida que el agua se vuelve menos abundante, como cuando las plantas toman parte del agua del suelo, el potencial mátrico de las partículas del suelo se vuelve más fuerte. Para que las plantas extraigan agua del suelo, deben producir un potencial hídrico más fuerte que el del suelo. A medida que los suelos se secan, retienen el agua restante con más fuerza. Si una planta no puede contrarrestar el potencial matricial con un potencial hídrico más fuerte en la planta, se marchita, aunque todavía quede algo de agua en el suelo, como se muestra en la figura 4.2c. Los científicos se refieren a esto como el punto de marchitamiento del suelo porque es el potencial hídrico más bajo al que la mayoría de las plantas pueden obtener agua del suelo. Como puede adivinar, hay especies de plantas adaptadas a la sequía, como los cactus, que pueden desarrollar un potencial hídrico muy fuerte para extraer la escasa agua de los suelos desérticos.

Movimiento de Agua por Cohesión y Tensión

La cohesión es la atracción mutua de las moléculas de agua; permite que el agua ascienda por los restos vacíos de las células del xilema. La presión radicular es cuando el potencial osmótico de las raíces de una planta atrae el agua del suelo y la fuerza hacia el xilema; puede elevar el agua hasta unos 20 m. La transpiración es el proceso por el que las hojas pueden generar potencial hídrico a medida que el agua se evapora de las superficies de las células foliares.

Las plantas conducen agua a sus hojas a través de las células tubulares del xilema en las raíces y los tallos, conectadas para formar el equivalente a las tuberías de agua. El movimiento del agua a través de estas células del xilema depende de la cohesión de las moléculas de agua, que es el resultado de la atracción mutua entre las moléculas de agua. Las hojas también pueden generar potencial hídrico a medida que el agua se evapora de las superficies de las células de la hoja en el interior de la misma y en los diminutos espacios de aire que rodean estas células. El bajo potencial hídrico de la transpiración crea una tensión que atrae el agua hacia arriba a través del xilema en contra de la gravedad y del alto potencial osmótico de las células de la raíz.

Fase Luminosa

1. La clorofila de los tilacoides absorbe la energía de los fotones.
2. La clorofila libera electrones a una cadena de reacciones.
3. En el proceso, las moléculas de H₂O se dividen en iones H⁺ y O₂^–.
4. Los iones O₂^– se unen para formar oxígeno molecular.
5. La energía se recoge de los electrones liberados y de la división del H₂O.
6. Energía + H⁺ + ADP → ATP
7. Energía + H⁺ + NADP⁺ → NADPH
8. El ATP y el NADPH son compuestos de alta energía que se dan en el ciclo de Calvin.

Ciclo de Calvin

Tiene lugar en el estroma del cloroplasto. La energía del ATP y del NADPH se utiliza para convertir el CO₂ en glucosa. Se han desarrollado varios tipos de ciclos de Calvin: C3 (la mayoría de las plantas), C4 (hierbas, juncos) y CAM (familia Crassulaceae).

Rutas Fotosintéticas

Fotosíntesis C3

CO₂ + RuBP → 2G3P

• RuBP: Ribulosa bifosfato; azúcar de cinco carbonos.
• G3P: Gliceraldehído 3-fosfato; azúcar de tres carbonos.

El proceso es catalizado por la RuBP carboxilasa-oxidasa (también conocida como Rubisco). Células mesofílicas (día). En cuanto a las desventajas de la fotosíntesis C3, la Rubisco tiene una baja afinidad por el CO₂, por lo que las plantas C3 deben llenar sus células con grandes cantidades de Rubisco. La Rubisco también se une preferentemente al O₂. Cuando las condiciones son cálidas y secas, los estomas de las hojas se cierran para evitar la transpiración, lo que también impide que el O₂ salga de la hoja. Fotorespiración: la oxidación de los carbohidratos a CO₂ y H₂O por la Rubisco, que invierte las reacciones de la luz de la fotosíntesis. Por ello, la fotosíntesis C3 no es óptima en condiciones de mucho calor y sequedad. Adecuada en condiciones frías y húmedas. Muy frecuente.

Fotosíntesis C4

Vía fotosintética en la que el CO₂ se asimila inicialmente a un compuesto de cuatro carbonos, el ácido oxalacético (OAA); proporciona una ventaja en condiciones de calor y sequedad.

• CO₂ + PEP → OAA
• PEP: Fosfoenolpiruvato; 3 carbonos; tiene mayor afinidad por el CO₂ que la Rubisco.
• OAA: Ácido oxalacético; 4 carbonos.

Ocurre en las células mesofílicas (asimilación CO₂ inicial), célula vaina del haz (pasos posteriores); después el OAA se convierte en ácido málico. Las concentraciones de CO₂ en las células de la vaina son de 3 a 8 veces mayores que las disponibles en la fotosíntesis C3. En cuanto a las desventajas de la fotosíntesis C4, se utiliza menos tejido para la fotosíntesis; la energía se utiliza para producir OAA. Adecuada en condiciones calurosas y secas. Pastos, juncias, cultivos (maíz, caña de azúcar).

Fotosíntesis CAM (Crassulacean Acid Metabolism)

Fotosíntesis CAM (metabolismo ácido crasuláceo). Vía en la que la asimilación inicial del carbono en OAA se produce por la noche. En lugar de separar los pasos de asimilación de CO₂ entre las células del mesófilo y de la vaina del haz, los pasos están separados en el tiempo. Durante el día, los estomas se cierran para reducir la tasa de transpiración. Los estomas se abren para intercambiar gases durante la noche, cuando las temperaturas frescas ralentizan la transpiración. Adecuada en condiciones calurosas y secas. Familia Crassulaceae. Por lo tanto, las plantas C3 están adaptadas a condiciones frescas y húmedas, mientras que las plantas C4 y CAM están mejor adaptadas a condiciones cálidas y áridas.

Fuentes y Sumideros de Calor para los Organismos Terrestres

Dado que la temperatura corporal influye en las funciones fisiológicas, los organismos deben gestionar cuidadosamente la ganancia y la pérdida de calor.

• Radiación: Es la emisión de energía electromagnética por parte de una superficie. El Sol es la principal fuente de radiación en el medio ambiente. Cuando los objetos del paisaje se calientan por la radiación solar, emiten una radiación de menor energía en forma de luz infrarroja.
• Conducción: Es la transferencia de energía en forma de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos (área superficial, resistencia, diferencia de temperaturas).
• Convección: Es el calor transmitido en un líquido o en un gas como consecuencia del movimiento real de las partículas calentadas en su seno.
• Evaporación: Es la transferencia de estado líquido hacia un estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer a la tensión superficial.

Impacto del Calentamiento Global en Organismos

¿Qué fases del ciclo de vida esperas que sean más sensibles al incremento de temperatura del agua asociado al calentamiento global? ¿Qué organismos (estenotermos versus euritermos) esperas que sean más sensibles? Las fases del ciclo de vida que son más sensibles a un incremento de temperatura del agua asociado al calentamiento global son los reproductores (spawners) y los embriones (embryos) ya que su capacidad aeróbica es baja y su rango de temperatura es más estrecho, al contrario que en adultos y larvas, cuya capacidad aeróbica es alta y presentan un rango de temperatura mayor. La tolerancia térmica difiere entre las etapas de la vida, y la respuesta térmica es mayor en los organismos estenotérmicos que en los euritermales. Las tasas fisiológicas (líneas sólidas) dependen de la temperatura y, por lo general, se escalan exponencialmente dentro del rango de temperatura. Las líneas con diferentes pendientes sugieren que las especies estenotérmicas o las etapas de vida con un rango de temperatura más estrecho (línea negra) son más sensibles (pendiente más pronunciada) que los euritérmicos (línea gris). Como beneficio, la demanda de energía de los estenotermos puede ser menor que la de los euritermos. Los organismos euritermales son térmicamente menos sensibles y tienen rangos de tolerancia más amplios, lo que promueve un estilo de vida activo en hábitats con variaciones y gradientes de temperatura diarios, estacionales y/o verticales.

Competitividad de Rutas Metabólicas

En la siguiente figura se muestran los resultados del modelo numérico utilizado para estudiar las diferencias de afinidad del CO₂ de plantas por rutas metabólicas C3 e C4 en diferentes escenarios de estrés hídricos.

• ¿Cómo cambia la competitividad de la ruta C4 al incrementarse la concentración de CO₂?
• ¿Cómo afecta la escasez de agua (estrés hídrico) a la competitividad de la ruta C4 a diferentes concentraciones de CO₂?
• ¿Qué ruta sería la más exitosa en un escenario de cambio global?

Las isolíneas indican diferencias en la asimilación de CO₂ entre plantas C3 y C4. Los valores positivos indican dominancia de plantas C4 (rojo) y valores negativos la dominancia de plantas C3 (azul). En primer lugar, a 200 ppm se observa una gran dominancia de plantas C4. En esta parte de la figura, todos son valores positivos, por lo que, en general, independientemente del estrés hídrico y de la temperatura, las plantas C4 se desenvuelven muy bien. Cuando la concentración aumenta a 400 ppm, lo que ocurre es que disminuye la afinidad de las plantas C4 y aumenta la de las plantas C3, mientras que a 600 ppm aún disminuye más la de las plantas C4 y aumenta la de C3. Por tanto, en términos globales, la competitividad de las plantas C4 al aumentar la concentración de CO₂ disminuye. La dominancia o ventaja de la ruta metabólica C4 se da, sobre todo, en atmósferas con baja disponibilidad de CO₂. Por otro lado, con respecto al efecto de la escasez de agua sobre la competitividad de la ruta C4 a diferentes concentraciones de CO₂, se observa que a bajas concentraciones (200 ppm) es más competitivo a valores intermedios o bajos y según aumenta la concentración (400 ppm) es más competitivo a valores más altos. Por tanto, la importancia de la limitación de agua para la competitividad de la ruta C4 se acentúa en escenarios de alta concentración de CO₂ en la atmósfera. Finalmente, en un escenario de cambio global, el aumento de la temperatura y la falta de agua promoverían el crecimiento de las plantas C4 respecto a las plantas C3, mientras que el aumento de los niveles atmosféricos del CO₂ actuarían en sentido inverso.

Caso 1 (1.5 puntos)

En la siguiente figura se representa la eficacia biológica (eje y) de cuatro grupos de plancton microbiano:

1. Sabiendo que el tamaño celular de cianobacterias (C) es menor que el de diatomeas (D), discute de forma razonada las diferencias observadas entre ambos grupos en la eficacia biológica a diferentes niveles de suministro de nitrógeno.
2. En base a la información mostrada en la figura, discute de forma razonada qué factor ambiental elegirías para realizar un estudio de modelado de nicho ecológico y predecir la evolución de estos cuatro grupos en un escenario de cambio global.

Las diatomeas tienen un mayor tamaño que las cianobacterias, por lo tanto, las cianobacterias tienen una mayor relación S/Volumen. Esto les aporta a las cianobacterias que sean más eficientes captando nutrientes cuando la concentración es baja, en cambio, las diatomeas al tener una relación S/V no son buenas captando nutrientes cuando la concentración es baja. Sin embargo, las diatomeas, al ser más grandes, cuando las concentraciones de nutrientes son elevadas, absorben más nutrientes del medio y por eso tienen más eficacia cuando las concentraciones son elevadas. Con el cambio global, estamos sacando nitrógeno de la atmósfera y usándolo en los cultivos, que indirectamente acaba en el mar. Esto supone un aumento del nitrógeno y, por tanto, de los nutrientes en el océano. Esto provocará que las diatomeas estén mejor adaptadas al futuro que las cianobacterias.

Son recursos de tipo esenciales, pues se ve que se necesitan cantidades específicas de cada recurso. Esto se puede observar ya que en el caso A son 13+6 (19) y decrece, pero en cambio en el E son 9+10 (19), y crece. Por todo ello, si cada recurso no está en su cantidad necesaria, el individuo decrece o no crece, pero nunca crece. Si fueran perfectamente sustituibles tanto el caso A como el B deberían tener el mismo efecto (en un caso hay más de R1 y en el otro hay más de R2, deberían compensarse porque interesa el total). Si fueran complementarios, de forma similar a lo anterior, deberían tener un efecto sinérgico, de forma que debería necesitarse menos cantidad. No obstante, esto no se puede llegar a saber, pues no hay ningún caso donde falte un recurso. Aún así, si fueran complementarios, deberían todos los que lleguen al mismo número total tener el mismo efecto (lo cual no se da, el D son 13 y el F también, y en cambio tienen efectos distintos). Análogamente, no pueden ser ni antagonistas (contrario a complementario).

Etiquetas: Agua, Fotosintesis, humedad, plantas, suelos