Imprimeix el llibre sencerImprimeix el llibre sencer

Entrada i trànsit d'energia

lloc: Cursos IOC - Batxillerat
Curs: Biologia II (Bloc 1) ~ gener 2020
Llibre: Entrada i trànsit d'energia
Imprès per: Usuari convidat
Data: diumenge, 28 d’abril 2024, 00:19

Taula de continguts

1. L'entrada d'energia

Per construir la matèria viva, els éssers vius incorporem la matèria del nostre entorn.
Els organismes fotosintetitzadors, com les plantes, són autòtrofs: produeixen matèria orgànica a partir d'inorgànica i energia lluminosa.
La fotosíntesi és la porta d'entrada que manté activa la biosfera.
Les plantes, algues i bacteris fotosintetitzadors fan servir aigua, diòxid de carboni i algunes sals minerals com a matèries primeres per obtenir matèria orgànica, com la glucosa, que acumula energia química en els seus enllaços.
A partir de la matèria orgànica, s'obtindrà energia pel procés de la respiració cel·lular.
La respiració requereix oxigen, un subproducte de la fotosíntesi.
En el següent esquema es relacionen la fotosíntesi i la respiració:


L'energia química produïda pels fotosintetitzadors passa als altres organismes per l'alimentació, ja que uns es mengen els altres. Per això als fotosintetitzadors se'ls considera productors. La resta d'organismes són els consumidors i descomponedors.

2. La quimiosíntesi, una altra porta d'entrada d'energia

Tot i que el sol és la principal font d'energia de la biosfera, alguns bacteris poden utilitzar energia continguda en enllaços químics per sintetitzar matèria orgànica. Per exemple, els bacteris del ferro. Aquests bacteris s'anomenen quimiosintetitzadors.

Vegem l'esquema de la fotosíntesi i la quimiosíntesi:




Recordea que podem classificar els éssers vius, segons la font de matèria i energia en : 


De Conceptes bàsics. Teide


3. La fotosíntesi: fase lluminosa

La fotosíntesi a les plantes verdes té lloc als cloroplasts, uns orgànuls que es troben al citoplasma de les cèl·lules vegetals.

Els cloroplasts presenten dues membranes, l'externa i l'interna. Entre totes dues hi ha un espai. L'espai intern del cloroplast és l'estroma.  Dins de l'espai hi ha uns sacs aplanats, els tilacoides. Els tilacoides s'agrupen en grana.

A les membranes dels tilacoides trobem els pigments fotosintetitzadors.

Als cloroplasts els pigments més abundants són les clorofil·les, de color verd.

La fotosíntesi té dues fases: La lluminosa i la no lluminosa ( o fase fosca).

A la fase lluminosa intervé la llum.

Els pigments s'exciten per la llum: això vol dir que poden absorbir fotons. Així, doncs, en absorbir energia, la seva estructura molecular canvia (s'activen) i transfereixen energia cap a altres parts o molècules. És a dir, hi ha un traspàs d'electrons al llarg de la membrana tilacoïdal de manera que tenen lloc oxidacions i reduccions de molècules.

Com a resultat d'aquest procés, s'obté NADPH (poder reductor) i ATP. Aquest NADPH i ATP s'utilitzaran a la fase no lluminosa.

Esquema de la fase lluminosa:



http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/metabolism/photosynthesis.swf

Animació highered.mheducation.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi?it=swf::535::535::/sites/dl/free/0072437316/120072/bio13.swf::Photosynthetic Electron Transport and ATP Synthesis

Com pots veure, a la fase lluminosa s'esdevé la fotòlisi de l'aigua. L'H2O és trencada per un enzim i allibera oxigen i protons. L'oxigen és un gas necessari per la respiració, el procés d'obtenció d'energia a partir de biomolècules orgàniques que té lloc als mitocondris.

vídeo

https://www.youtube.com/watch?v=AjQd-TaQpuQ

Fotofosforilació cíclica i acíclica

Animació Fotosíntesi bàsic



4. La fotosíntesi: Fase "fosca", la que no requereix llum

Aquesta fase no necessita la llum. S'utilitza el NADPH i ATP procedents de la fase lluminosa per fixar el CO2 atmosfèric i obtenir molècules orgàniques. La fase de fixació del carboni s'anomena Cicle de Calvin.

 El CO2 de l’atmosfera es combina amb tres molècules d’un derivat d’un sucre de cinc carbonis (ribulosa-1,5-bisfosfat) i dóna sis molècules d’un compost de tres carbonis (3-fosfoglicerat). Aquesta reacció està catalitzada per un enzim que probablement és la proteïna més abundant de laTerra: la ribulosabisfosfatcarboxilasa (rubisco). Així, amb una aportació de nou ATP i sis NADPH obtinguts a la fase lluminosa, es transformen en una de gliceraldehid-3-fosfat, el qual s’utilitza per a la síntesi de molts altres glúcids (glucosa, midó), àcids grassos, aminoàcids, etc. Aquests compostos formen una part important de la dieta dels animals.






En aquest vídeo hi ha resumit el cicle de Calvin  i un repàs de les reaccions dependents de la llum
I en aquest vídeo tenim el resum de tot el procés fotosintètic

5. Fotosíntesi i respiració

En el següent esquema es plasma la relació entre la fotosíntesi, un procés anabòlic (biosintètic), i la respiració, un procés catabòlic ( de degradació) :

                                                                          (De Conceptes bàsics. Teide)

L'anabolisme consumeix energia i el catabolisme allibera energia; ambdós processos es troben acoblats.

6. Cadenes tròfiques

Per mantenir les funcions vitals (reproducció, moviment, producció de noves biomolècules, etc.), tots els organismes
necessiten energia i matèria (principalment, carboni, hidrogen, oxigen, fòsfor i nitrogen).
La fotosíntesi és el procés imprescindible que permet l’entrada d’energia solar als ecosistemes. Gràcies a l’energia solar, els organismes fotosintètics fixen el carboni, és a dir, incorporen el carboni del CO2 atmosfèric a la matèria orgànica . Però aquest procés només aprofita el 0,2 % del total d’energia solar que arriba a la Terra.
Els organismes quimiòtrofs no poden utilitzar l’energia solar; per tant, han de fer servir l’energia continguda als compostos químics. L’energia passa d'uns éssers als altres per mitjà de cadenes tròfiques o d'alimentació.

Les cadenes tròfiques, o cadenes alimentàries, estan compostes per diverses baules,anomenades
nivells tròfics. Els organismesde cada nivell obtenen l’aliment dels del nivell anterior, excepte els del primer nivell
(o productors primaris), que l’obtenen del Sol i de la matèria inorgànica.

Nivells tròfics:

Els nivells tròfics d’una cadena alimentària són els següents:

Productors primaris
En aquest nivell s’inclouen els organismes autòtrofs i fotòtrofs, que són la porta d’entrada de la matèria i l’energia als ecosistemes.
 Consumidors primaris: herbívors.
En aquest nivell es troben els organismes que s’alimenten dels productors primaris.
Consumidors secundaris: carnívors.
En aquest nivell s’agrupen els organismes que s’alimenten dels consumidors primaris.
Consumidors terciaris: supercarnívors.
En aquest últim nivell es classifiquen els animals que s’alimenten d’altres carnívors.

Algunes imprecisions a l’hora de definir una cadena tròfica:

Omnívors
Alguns organismes, com els éssers humans, mengen aliments molt variats. Caldria classificar-los en diversos nivells tròfics simultàniament (tots els nivells de consumidors).
Paràsits
Es poden considerar consumidors secundaris o terciaris, tot i que, a diferència dels depredadors,
generalment no destrueixen l’organisme que parasiten.
Descomponedors
Sobretot fongs i bacteris, aquests organismes transformen la matèria orgànica en inorgànica. Són essencials per garantir el cicle de la matèria i la continuïtat de la vida als ecosistemes

Cadenes i xarxes alimentàries
En re a l i t a t ,les re l acions alimentàries entre els components d’un ecosistema
són molt complexes . Les cadenes es connecten entre s i , de manera que donen xarxes tròfiques.





7. El cicle de la matèria i flux d'energia

En un ecosistema la matèria circula en forma de cicle tancat. La matèria d’una planta passa a formar part d’un herbívor quan aquest en menja la planta. Si l’herbívor és caçat per un carnívor, la seva matèria formarà part d’aquest carnívor. Quan qualsevol organisme mor els seus cossos són transformats en matèria inorgànica (sals minerals) pels descomponedors. Aquestes sals minerals seran reaprofitades per les plantes i d’aquesta manera el cicle començarà de nou. La matèria disponible sempre és la mateixa al llarg del cicle i per tant no és il·limitada com passa amb l’energia. Per això s’ha de reutilitzar.


Per poder realitzar les funcions vitals (nutrició, relació i reproducció) els éssers vius necessiten energia.
Però què és l’energia? És la capacitat d’un cos per produir canvis sobre ell mateix o sobre un altre cos.
La font d’energia que utilitzen gairebé tots els ecosistemes és el Sol. Si la Terra és un planeta viu és gràcies a l’energia inesgotable que proporciona el Sol.



L’energia lluminosa del Sol és captada per les plantes que la utilitzen per fer la fotosíntesi. En aquest procés, les plantes fabriquen glucosa, un compost orgànic, a partir de substàncies inorgàniques, l’aigua i el diòxid de carboni, que no tenen energia.
Durant aquesta reacció, l’energia lluminosa es transforma en energia química, ja que la glucosa és una molècula que emmagatzema energia en els enllaços que uneixen els seus àtoms.
Els organismes autòtrofs són, per tant, la porta d’entrada de tota l’energia que fa funcionar els ecosistemes. Tot això els situa en la base de l’alimentació de la resta d’éssers vius.
Els organismes heteròtrofs obtenen mitjançant l’aliment l’energia que acumulen les plantes i les algues. Això ho fan mitjançant un procés anomenat respiració. Amb la respiració, els organismes “cremen” la matèria orgànica per obtenir l’energia química que conté.
Aquesta energia química, és gastada tant en els animals com en les plantes, per fabricar parts del cos, relacionar-se amb l’entorn, mantenir-se viu, mantenir la temperatura, reproduir-se, etc.
Una part d’aquesta energia química que és gastada es transforma en calor i escapa del cos. Aquesta calor també és una forma d’energia, l’energia calorífica. Aquesta energia calorífica no pot tornar a ser aprofitada per cap organisme viu.

En una cadena tròfica o alimentària hi ha pèrdues d’energia (en forma de calor) cada vegada que hi ha una transferència d’energia d’un nivell a un altre, per la qual cosa, al final de la cadena, s’ha dissipat gairebé tota l’energia que havien captat els fotosintetitzadors inicialment. De fet es calcula que només entre un 10% i un 20%, o fins i tot menys, de l’energia d’un determinat nivell tròfic passa al nivell tròfic superior.

Per això es diu que l’energia circula en forma de flux obert, seguint un camí lineal: arriba als ecosistemes a través de l’energia lluminosa que es transforma en química i després va passant d’uns animals a uns altres per mitjà de l’alimentació. Finalment es perd en forma de calor.
Per això el manteniment dels ecosistemes, i de la vida en general, requereix una aportació contínua d’energia. Així doncs, l’energia flueix unidireccionalment a través del sistema, el qual es pot considerar con un sistema obert que necessita l’aportació constant d’energia per al seu funcionament.
Tot això fa que la quantitat total de matèria i energia que hi ha en un determinat nivell tròfic sigui molt menor que la que s’acumula en el nivell tròfic següent. En cada baula o nivell tròfic d’una cadena alimentària, s’origina una pèrdua de matèria (en residus) i energia  (per produir calor i treball), les quals, per tant, van disminuint al llarg d’aquesta cadena.
Piràmide tròfica


Com a conseqüència d’aquesta pèrdua progressiva sobretot d’energia, les cadenes alimentàries poden representar-se gràficament com una piràmide formada per diversos estrats en la qual els superiors (més petits) es nodreixen dels inferiors (més grans).






8. Paràmetres per estudiar la dinàmica dels ecosistemes

Per quantificar el cicle de la matèria i el flux d'energia tenim els següents paràmetres:

BIOMASSA : massa total d'organismes, a nivell d'ecosistema, de nivell tròfic etc.

                      g (pes sec) / unitat de S o V (també gC o Cal/S o V)

PRODUCCIÓ: Augment de la biomassa per unitat de temps. 

                      g/m2.dia; kg/ha.any

Els organismes tenen una producció bruta (biomassa incorporada) i una producció neta que és la que    

queda disponible pel següent nivell tròfic després de descomptar la invertida en energia per viure.

La producció dels autòtrofs s'anomena primària i la de la resta de nivells tròfics, secundària.

PRODUCTIVITAT= Producció/Biomassa

És la velocitat de renovació de la biomassa. Permet saber la proporció de biomassa que es pot retirar sense perill per l'ecosistema (grau d'explotació).

TEMPS de RENOVACIÓ = Biomassa/Producció

És el temps necessari perquè es renovi la biomassa.

Representació amb piràmides

Els paràmetres de biomassa, producció i nombres d'individus dels nivells tròfics es poden representar amb piràmides. Els descomponedors no s'hi tenen en compte.

(De Conceptes bàsics de Teide)

Les piràmides de producció sempre tindran forma piramidal; les de nombre i biomassa poden tenir altres formes.

9. La selecció natural

Per entendre perquè les comunitats van diferenciant-se amb el temps, per exemple la recuperació d'un bosc després d'un foc, hem de comprendre el mecanisme que hi actua: la selecció natural.

Els individus de les poblacions no són idèntics. Aquesta variabilitat s'origina per les mutacions (canvis en el material genètic accidentals que no apareixen per necessitats adaptatives) i la reproducció sexual. Els individus menys capaços de resistir certes condicions són eliminats per la selecció natural, mentre que els més ben adaptats són afavorits.

Així, als boscos mediterranis el foc actua com un factor de la selecció natural. L'acció repetida del foc al llarg del temps és responsable de la supervivència dels individus amb característiques que els fan més aptes.