clase falkowski
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Impacto de sistemas biológicos en el planeta(Retomando los trabajos de Falkowski PG)
Asomándonos a una integración a la biogeoquímica
Paul G. Falkowski● Especializado en estudios
biogeoquímicos
● Fotosíntesis
● Oceanografía biológica
● Biología molecular, Biogeografía y bioquímica
● Adaptación fisiológica,
● fisiología de plantas
● Evolución
● Modelado de sistemas biológicos
● Simbiosis
La punta del iceberg● Los modelos
biogeoquímicos parecen combinarse con pruebas como..
– Relojes moleculares
– Modelos de distancia
– Metabolismos actuales
● Reconocer momentos ancestrales
● Las huellas de diferentes metabolismos estan talladas y datadas en nuestro presente y en nuestro pasado geológico y biológicos
¿De que les quiero platicar hoy?
● Es necesario como personas enfocadas en la geología que uno de los factores mas importantes que han afectado el planeta son los sistemas biológicos
¡¡¡ Importante !!!
● No solo los impactos fueron los que moldearon los cambios en la tierra
● La actividad biológica en realidad ha moldeado la atmósfera
– Ciclo de cabono
– Ciclo del nitrógeno
– Interacción entre actividad biológica y elementos relacionados a los ssistemas biológicos (P, S, O, C)
De entrada y para breviario cultural
● ¿Cuantas atmósferas se han presentado en el planeta?
– Hidrogeno y helio (aporte primigenio de los gases)
– Por liberación de gases provenientes de erupciones volcánicas, se presentaba un fenómeno de gases “invernadero”
● Monóxido y dióxido de carbono● Reductora
– Atmósfera oxidante
O2
● Primeros sistemas biológicos:
– Cianobacterias
– Por fosiles de 3600 ma, en forma de estromatolitos, sabemos la presencia temprana en la historia de la vida
– Estas estructuras las podemos ver todavía
– El cambio completo de reductor a oxidante se dió de forma completa hasta los 2800 ma
Características y propiedades
● Con valencia de -2, segundo periodo VI A
● Electronegativo
● De manera natural se combina en manera gaseosa
● Arreglo de 4 electrones
● Es posible verlo combinado con elementos del grupo del I al VI
Oxígeno = O2
● ¿Que elementos se acuerdan que se combinen con oxígeno?
● Fe y Mn– Compuestos originados por reacciones redox:
– H2O, CO
2 , HNO
3 , H
2SO
4 , H
3PO
4
– H2O
2, NO, CO, SO
2
– Sin un aporte continuo, éste se acabaría
– ¿Por que no se ha acabado?
Fotosíntesis
● Nuestro planeta parece nunca tener un equilibrio termodinámico dentro de su estructura
● El planeta parece ser lo mas cercano a una “celula gigante”
● El oxígeno ha sido utilizado por los últimos 2400 millones de años
● Todavia se desconoce por que se utilizó o por que se seleccionó esta reacción y fue tan exitosa
Trabajos realizados en RC's
Sadekar, 2006Blankenship, 2010
Historia evolutiva de cianobacterias● La historia
evolutiva de cada uno de los elementos relacionados a los sistemas fotosintéticos nos da diferentes enfoques
● Da evidencia de hitorias evolutivas que reflejan al elemento no al organismo
Ahora, ¿a quienes les adjudicamos el cambio planetario?
● Cianobacterias
● Tienen dos fotosistemas
● Uno utiliza un sistema de cluster de calcio magnesio para ser reducido
● Transferencia de electrones para producir O2
– Los sistemas y rutas metabólicas de los fotosintetizadores tienen antedecentes de sistemas que no dependen de O
2
– Cuando nos asomamos a los sistemas RC (centros de reacción podemos ver desde eventos de duplicación, hasta detectar la presencia de un sistema común
– Los sistemas de fijación de carbono y las “antenas” (receptores de luz y electrones) se han “inventado mas de una vez en la historia de los seres vivos
Pero algo que podría interesarles mas...● Schopf (2010)
– Las rocas que nos evidencían la inferencia de sistemas biológicos se encuentran en una formación en Groenlandia
– La historia evolutiva de las cianobacterias se estima con su presencia de 3200 ma y hasta 2450 ma
– 2400ma (GOE) es detectado por el análisis de formas de azufre...
– Fractionamiento independiente de isótopos
– Sistema es oxidante y no reductor (SO
2)
● Pero se corelaciona otro elemento atmosférico ara que se haya hecho el cambio...
– La aparición de ozono
– El secuestrar al agente reductor
● 4 equivalentes de carbonato con un equivalente de carbon orgánico
● ...mientras mas carbon fijado tengamos, mas oxigeno podremos mantener
● Secuestrar al reductor:
– El registro fósil permite reconocer equivalentes reducidos mas allá de los 3500 ma
– Se tuvo que estar fijando de estar forma equivalentes de carbono por 200 ma para que se diera el GOE
Como resolver el problema de reductor a oxidante
Enterrar materia orgánica no es trivial
● ¿Como se les ocurre que se relacionan?
● Si yo capturo elementos reductores dentro de mi materia orgánica, mantengo los elementos reductores y evito con ello el regreso y fomento el medio oxidante...
Esquema de Ciclo de Wilson y ambientes primigenios ● Hace 400 ma se
presentaba, los ambientes marinos se presentaban como único aporte de materia orgánica
● La antigüedad de los sustratos marinos duran de 200 -300 ma.
● El material se calienta y se recicla como material volcanica que muchas veces es liberado al medio nuevamente (CO
2)
● Ciclo de Wilson
Recordar que...
● Formación y la dinámica de tectónica de placas, así como la formación de piedras sedimentarias y metamórficas, han ayudado a fijar molécular reducidas y favorecer el estado de la atmósfera
● Los sistemas acuáticos, por la ruptura de la molécular y por ser el donador de electrones
● Los dos aumentos mas importantes de oxígeno son en el neoproterozóico (750 – 550 ma) y el Carbonífero (360 – 300 ma)
–● Aparición de la diversidad de las algas eucariontes, (gradiente geotermal presente por compuestos y minerales relacionados = HO
● Plantas terrestres, (30% en el aumento)
Ciclo del nitrógeno N
● #5 en nuestro sistema solar● De c/100 C's de 2 a 20 N's● Es posible encontrar mas frecuentemente al
nitrógeno en forma de amonio o nitrato que en forma gaseosa
● Ambientes terrestres y marinos
La o las estrellas de toda esta ruta
metabólica
La composición del N2 en sus tres enlaces no es tan fácil de romper
Se depende de un aporte de ATP para romper y reducir de N
2 a NH
3
Darse cuenta que la fijación de NH
3 a NO
2 es
dado de manera reciente y dado por un grupo específico de bacterias y arqueobacterias
● La diversidad microbiana ha permitido el tener elementos variados relacionando al nitrógeno en diferentes formas
● Pero solamente de forma recientes es posible ir en “sentido contrario a la ruta”
● Mucho de este cambio lo han hecho en realidad los quimiotrofos
●
Cambiando parametros y conceptos...
● Hay referencias que nos obligan a pensar de que los ambientes oceánicos ancestrales eran ricos en Fe, acumulaban muy poco oxígeno
● Aunado a esto los sistemas anóxicos no parecen ser eficientes para fijar compuestos oxidados
● Todo el ciclo de N depende de manera directa de:
– Antigüedad de los procesos de anammox y de y desnitrificación
– No podemos datar la edad del la ruta metabólica de annamox y de la desnitrificación
Oceanos ancestrales y el ciclo de N
En este escenario...
● Apenas hace 600 ma la distribución del oxígeno se dió en todas las profundidades.
● En la transición (1800 ma) :
– NH4 estaba en las partes
profundas y anóxicas
– NO3 y NO
2 dentro de la
transición entre la parte oxigénica y anoxigénica
● Desnitrificación abajo ● Nitrificación arriba
Imaginar procesos bióticos y abióticos
● Se maneja la posibilidad de que se este dando estas reacciones de manera facilitada, anóxica y por condiciones ambientales de manera facilitada
– Condiciones anóxicas además de tener procesos a altas temperaturas
– Creer que los sistemas biológicos son los que permitieron que tuvieramos las rutas y modelos completos del ciclo del N
Lo que quiere decir
● Sin el oxígeno, el sistema anóxico del nitrogeno permitiría un sistema que no permitiera la fijación de H y por tanto, van en contra de inducir un mecanismo oxidante
● El escenario biológico y
geoquímico nos permite recrear modelos que nos permiten hcer estas extrapolaciones
Sistema actual● NO
3 con concentración y
presencia dominante
● Desnitrificación y fijación de nitrógeno se encuentran nivelados
● Por imagenes pasadas se podria pensar que fijación es mas frecuente en continentes que ambientes acuáticos
● Con poco oxígeno hay mas desnitrificación y con mas oxígeno se da mayor fijación
● Por la actividad del cultivo es posible equilibrar haciendo la fijación llegar hasta un 45%
● Por otra parte, gracias a la actividad del hombre puede correrse el riesgo de sembrar en exceso fijar demasiado nitrógeno y generar una disminución en la cantidad de O
2
● Aumentar los aportes de una molécula N2O
– Rotación de cultivos
– Cambiar plantas por trigo y centeno
– Uso variado de endosimbiontes y especies variadas que fijen pero que no liberen N
2O
–
Perspectivas
