Categoría: 2. Ciencia y tecnología.
Ciclo del agua.
Se estima que el volumen total de agua en el planeta es de aproximadamente 1390km^3 (Revista Cómo ves? 12 de marzo de 2015).
Datos para calcular la vida media del agua en la Tierra:
Masa total de agua (1.454e+18 ton). 1.454e+24g
Destrucción de agua por fotosíntesis (-dw/dt). 1.7986e+17gH2O*año^-1
Síntesis de agua por la respiración (+dw/dt). 1.7986e+17gH2O*año^-1
Síntesis de agua por la combustión (+dw/dt). 1.4737e+16gH2O*año^-1
Balance: +1.4737e+16gH2O*año^-1
1. Masa total.
Sitio: http://digitum.um.es/jspui/bitstream/10201/13708/1/limnologia_practica_02.pdf
2. Destrucción de agua por fotosíntesis (-dw/dt).
La producción primaria bruta global (PPB) se ha estimado en 120PgC*año^-1 (Peta = 1x10^15); del cual aproximadamente la mitad (60PgC*año^-1) se incorpora a los tejidos vegetales, como hojas, raíces y tejido leñoso, y la otra mitad regresa a la atmósfera debido a la respiración autotrófica (respiración de los tejidos vegetales, Ra). La masa de carbono que queda fijo en forma de tejidos vegetales se conoce como producción primaria neta (PPN) y en el nivel global se ha estimado en 60PgC*año^-1.
Figura 1. El ciclo global del carbono en la actualidad. Los almacenes están expresados en PgC y los flujos en PgC*año^-1. PPB= producción primaria bruta; Ra= respiración autótrofa; Rh= respiración heterótrofa; COD= carbono orgánico disuelto; CID= carbono inorgánico disuelto. Fuente: http://www2.inecc.gob.mx/publicaciones/libros/437/jaramillo.html
Ecuaciones relevantes:
Fotosíntesis:
6CO2 + 6H2O -- (hv) -- > C6H12O6 + 6O2 Fotosíntesis(1)
nCO2 + 2nH2A – (hv) -- > (CH2O) + nH2O + 2nA Fotosíntesis(2)
Producción primeria neta:
PPN = PPB – Ra
Sabiendo que la producción primaria neta es el proceso responsable de la fijación de 120PgC*año^-1 se puede calcular la cantidad de agua que se destruye por el proceso conocido como fotólisis del agua, que sucede en la fase luminosa de la fotosíntesis. El electrón excitado por la energía luminosa del sol es conducido por una serie de citocromos (moléculas que se oxidan y reducen, embutidas en la membrana del tilacoide, dentro del cloroplasto) que se encargan de la reducción de los aceptores de electrones NADP+. Cuando el electrón ha cedido su energía en la reducción escalonada de estos citocromos es finalmente conducido a una reacción enzimática en la que dos electrones se unen a dos protones (H+) desprendidos de una molécula de agua H2O, liberando 0.5O2.
Los protones así separados de la molécula de agua pasan a formar un gradiente de concentración [H+] entre el interior del tilacoide (mayor concentración) y el estroma o espacio intermembranal. Las proteínas ATP-asa embutidas en la membrana tilacoide catalizan la formación de ATP a partir de ADP + Pi utilizando la energía del flujo de protones a favor de un gradiente de concentración. Los aceptores de electrones en su forma reducida (NADPH) proporcionan energía para la síntesis de 3-fosfo-glicerato a partir de CO2 en las reacciones de la fase oscura de la fotosíntesis o ciclo de Calvin (http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/jsatrust/Tema24-2009.pdf).
La cantidad de agua que se destruye durante el proceso de fotosíntesis es de un mol de agua por cada mol de CO2 fijado. Sabiendo que se fijan 120PgC*año^-1, lo cual es igual que 4.397e+17gCO2*año^-1 o 439.7PgCO2*año^-1 (120PgC*año^-1*3.664gCO2*(gC)^-1).
Como un mol de CO2 equivale a 44.008g, la fijación total de CO2 es de 9.992e+15molCO2*año^-1.
Ahora considerando que un mol de agua equivale a 18.001g*mol^-1, tenemos que por fotosíntesis se destruyen 1.7986e+17gH2O*año^-1.
Sitio: http://www2.inecc.gob.mx/publicaciones/libros/437/jaramillo.html
3. Síntesis de agua por la respiración (+dw/dt).
La respiración autotrófica consume el 50% del carbono fijado por la PPB. Esto es 60PgC*año^-1 o 2.1986e+17gCO2*año^-1. Por cierto, se estima que los ecosistemas forestales de #México almacenan 2,043 millones de ton. de carbono.( #COP21 #climatízate )
De este modo, la producción primaria neta global se estima en 60PgC*año^-1. Se considera que una buena estimación de la cantidad de carbono fijado (PPN) que pasa al siguiente nivel trófico (herbívoros) es de 25% del total fijado, esto sería 15PgC*año^-1 o 5.4965e+16gCO2*año^-1.
Y solo un 25% del carbono que alcanza a los herbívoros pasaría a los carnívoros.
Ahora sumando el C consumido por la respiración autotrófica y por la respiración de los herbívoros, tenemos un total de 75PgC*año^-1 o 2.74825e+17gCO2*año^-1.
Al final de cuentas, todo el carbono no contabilizado estará disponible para los organismos descomponedores. Esto quiere decir que no hay acumulación. El 100% del carbono fijado por los organismos autótrofos (plantas, bacterias y algas autótrofas) va terminar siendo consumido por el metabolismo respiratorio de estos mismos organismos, o bien, por organismos con metabolismo heterótrofo. En este consumo de carbono fijado por la fotosíntesis también se considera el carbono que se consume por combustión durante incendios forestales. Este proceso también genera agua en la misma proporción estequiométrica que la respiración.
Ecuaciones relevantes.
Respiración heterótrofa:
C6H12O6 + 6O2 ---- > 6CO2 + 6H2O
4. Síntesis de agua por la combustión (+dw/dt).
Emisiones globales de CO2.
Año Emisión anual (CO2) Fuente
1990 20.878e+9ton 7
2005 26.402e+9ton 7
2008 31.6e+9ton 7
2010 10PgC 6
2010 33e+9ton 5
2011 10.4PgC 8
2012 35e+9ton 1
2012 35.6e+9ton 3
2012 9.7PgC 8
2013 36e+9ton 2
2013 36e+9ton 4
1: http://www.jornada.unam.mx/ultimas/2013/11/19/emisiones-de-co2-aumentaron-2-2-en-2012-en-el-mundo-estudio-5338.html
2: http://www.20minutos.es/noticia/1981076/0/carbono/cambio-climatico/emisiones/
3: http://www.elmundo.es/elmundo/2012/12/03/natura/1354532573.html
4: http://www.agenciasinc.es/Noticias/2013-batira-un-nuevo-record-de-emisiones-globales-de-CO2
5: http://noticiasdelaciencia.com/not/2521/record_en_2010_de_las_emisiones_de_dioxido_de_carbono
6: http://sociedad.elpais.com/sociedad/2011/12/04/actualidad/1322953201_850215.html
7: http://es.wikipedia.org/wiki/Emisiones_de_CO2
8: http://calentamientoglobalclima.org/tag/emisiones-co2/
Ecuaciones relevantes.
Estequiometría de la oxidación de glucosa:
C6H12O6 + 6O2 ---- > 6CO2 + 6H2O
En esta ecuación cada mol de CO2 generado por la oxidación de la glucosa, genera también 1 mol de agua. Si las emisiones globales de CO2 corresponden a la combustión de materia orgánica, como glucosa, se tiene 36e+15gCO2*año^-1, lo cual equivale a 3.18e+14mol de CO2*año^-1. Esto es, se generan 3.18e+14molH2O*año^-1, lo que equivale a 1.4737e+16gH2O*año^-1 por procesos de combustión.
5. Balance y velocidad de renovación.
Como hemos visto hasta aquí, la cantidad de agua que se destruye por la fotólisis durante la fotosíntesis es más o menos igual que la cantidad de moléculas de agua que se forman durante el proceso de respiración. En este ciclo bioquímico del agua se destruye y se sintetiza una cantidad de agua aproximadamente 1.7986e+17gH2O*año^-1.
Considerando que las existencias globales de agua en la tierra ascienden a 1.454e+24g, es posible calcular el tiempo que tarda en renovarse:
Theta (años) = Existencia de agua (g) / Velocidad de desaparición (g*año^-1)
En esta ecuación, Theta, es el tiempo de residencia del agua en la tierra (años); Existencia de agua, es la cantidad total de agua disponible en la Tierra (expresada en gramos); Velocidad de desaparición es la velocidad con que el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno debido a la fotosíntesis, que es la misma velocidad con que se forman nuevas moléculas de agua a partir del hidrógeno contenido en los alimentos y el oxígeno atmosférico que utilizan los organismos en el proceso de respiración (expresada en g*año^-1). De esta manera se calcula que en 8.084e+6 años se renueva toda el agua existente en la tierra.
En el apartado anterior se calculó la cantidad de agua que se forma por procesos de combustión de origen antropogénico. En el balance de agua, esta sería la cantidad de agua que se acumula en la Tierra. La velocidad de acumulación según este balance sería de 1.4737e+16gH2O*año^-1. Con esta velocidad, el tiempo que tardarían en duplicarse las existencias globales de agua en la Tierra sería de 98.66e+6años. De esta manera puede verse que no es urgente estabilizar el balance de agua por las actividades antropogénicas, pero es recomendable empezar a manejar estas cifras, ya que con el análisis de todas ellas podemos obtener valores que nos indiquen si el tratamiento de los problemas ambientales va caminando por el camino correcto.
6. Otras formas en que se forma agua en los organismos vivos.
La formación de enlaces peptídicos entre los aminoácidos durante la síntesis de proteínas es una forma en la que se forman nuevas moléculas de agua. Cada enlace peptídico entre el grupo amino (-NH2) de un aminoácido con el grupo carboxilo (-COOH) del aminoácido precedente conlleva la formación de una molécula de agua (H2O).
La formación de enlaces glucosídicos en los carbohidratos y los ácidos nucleicos también genera una molécula de agua por cada enlace que se forma (o por cada mol de sustancias reaccionantes, dicho de forma más precisa). Para la formación de un enlace glucosídico en un nucleósido, el enlace se forma entre el grupo hidroxilo (-OH) de la pentosa y un hidrógeno (-H) de la base nitrogenada (adenina, timina, citosina, guanina y uracilo).
La formación de enlaces peptídicos entre los aminoácidos durante la síntesis de proteínas es una forma en la que se forman nuevas moléculas de agua. Cada enlace peptídico entre el grupo amino (-NH2) de un aminoácido con el grupo carboxilo (-COOH) del aminoácido precedente conlleva la formación de una molécula de agua (H2O).
La formación de enlaces glucosídicos en los carbohidratos y los ácidos nucleicos también genera una molécula de agua por cada enlace que se forma (o por cada mol de sustancias reaccionantes, dicho de forma más precisa). Para la formación de un enlace glucosídico en un nucleósido, el enlace se forma entre el grupo hidroxilo (-OH) de la pentosa y un hidrógeno (-H) de la base nitrogenada (adenina, timina, citosina, guanina y uracilo).
Discusión.
En el apartado 4 se estimó la cantidad de agua que se forma por los procesos de combustión. Para esto se investigó el valor de las emisiones de CO2 de origen antropogénico. En las discusiones acerca del cambio climático se proponen, entre otras cosas, buscar mecanismos o tecnologías para fijar o secuestrar carbono, con el fin de reducir las fuentes de CO2 a la atmósfera. Este procedimiento en principio tiene sentido lógico. Lo que no es evidente es de qué volumen debe ser ese flujo de carbono hacia su inmovilización. Sabemos que las cosas que tenemos que hacer son más dinámicas cuando conocemos la meta a alcanzar. Pues con este ejercicio es posible conocer el valor aproximado que deben alcanzar las tecnologías para secuestrar carbono. Este valor es 36e15gCO2*año^-1 o 9.825PgC*año^-1. Es necesario tener en cuenta que para que esas cantidades de carbono no se transformen en CO2 por la actividad de microorganismos descomponedores, es necesario ponerlo fuera del alcance de estos. Por ello, los mecanismos más prometedores son la inyección de CO2 en el océano profundo, almacenamiento de gases carbonáceos en pozos petroleros agotados, pirólisis de madera y otros residuos orgánicos y su posterior incorporación en suelos agrícolas.
La cantidad de agua que se renueva por los procesos de fotosíntesis (fotólisis) y respiración (formación de agua) es tal (1.7986e+17gH2O*año^-1) que las existencias globales de agua en la Tierra (1.454e+24g) se renuevan en promedio cada 8.084e+6 años.
También se hizo una estimación del balance de agua en la Tierra y se encontró que hay una acumulación que más o menos corresponde con la cantidad de agua formada por la combustión debida a actividades antropogénicas, es decir, calefacción, preparación de alimentos, generación de energía eléctrica, movimiento de vehículos, obtención de energía para procesos industriales, entre otros. La velocidad con que se acumula esta agua haría que las existencias totales de agua en la Tierra se duplicaran en 98.66e+6años. Sin embargo, no existen reservas para mantener esta velocidad de acumulación y solo se mantendría durante el tiempo que continúe la utilización masiva de combustibles fósiles. Debe recordarse que este inventario de combustibles se acumuló durante al menos los últimos 500 millones de años. También debe tenerse en cuenta que cada vez es más difícil alcanzar estos depósitos y eventualmente quedarán sin tocar grandes yacimientos que serán las mayores reservas de carbono secuestrado hasta que la tecnología ponga a disposición de la humanidad un método capaz de inmovilizar carbono en cantidades semejantes.
Bibliografía.
INE: http://www2.inecc.gob.mx/publicaciones/libros/437/jaramillo.html
Sitio: http://digitum.um.es/jspui/bitstream/10201/13708/1/limnologia_practica_02.pdf
Beas, Carlos; Daniel Ortuño; y Juan Armendáriz. 2009. Biología molecular. Fundamentos y aplicaciones. MacGraw-Hill Interamericana SA de CV. México, D.F., México.
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