Con este experimento, para alumnos de la educación secundaria, se pretende estimular el gusto por la ciencia experimental. De una manera lúdica, vamos a intentar ejemplificar el movimiento de la materia en la naturaleza e ilustrar las consecuencias que los desequilibrios en los ciclos biogeoquímicos pueden tener para los seres vivos

Rodrigues, Ana Paula L.

Revista eureka sobre enseñanza y divulgación de las ciencias

Spanish

Repositorio de Objetos de Docencia e Investigación de la Universidad de Cádiz

Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 8 (Núm. Extraordinario), 495−499, 2011           MONOGRÁFICO SOBRE CIENCIA RECREATIVA De la geosfera a la biosfera: circulación de materia en la naturalezaAna Paula L. RodriguesEscuela Secundaria Quinta das Palmeiras, Covilhã, Portugal. apliberato@gmail.com[Recibido en marzo de 2010, aceptado en abril de 2011]Con este experimento, para alumnos de la educación secundaria, se pretende estimular el gusto por la ciencia experimental. De una manera lúdica, vamos a intentar ejemplificar el movimiento de la materia en la naturaleza e ilustrar las consecuencias que los desequilibrios en los ciclos biogeoquímicos pueden tener para los seres vivos.Palabras clave: Geosfera; Azufre; Lluvia ácida; Biosfera.From geosphere to biosphere: circulation of matter in natureThe aim of this practice, intended for secondary school students,  is to stimulate the interest in experimental science. In a playful manner, we try to illustrate how matter moves in the nature and the consequences of the imbalances of biogeochemical cycles to biosphere.Keywords: Geosphere; Sulfur; Acid rain; Biosphere.IntroducciónCon  esta  experiencia  no  se  pretende  profundizar  en  conocimientos  de  la  Física  y  de  la Química, sino promover una actitud positiva hacia la investigación y la curiosidad científica. Esta  actividad  está  dirigida  a  estudiantes  de  educación  secundaria  ya  que  requiere conocimientos básicos sobre las reacciones químicas.Se entiende por sistema cualquier parte del Universo que esté constituida por masa y energía. El sistema Tierra está formado por cuatro subsistemas abiertos y dinámicos, que interaccionan entre sí (figura 1): • la geosfera (rocas o litosfera);• la atmósfera (capa gaseosa que envuelve la Tierra, envoltorio gaseoso); • la  hidrosfera (todo el  agua existente en el  planeta,  bien en estado líquido,  bien en estado sólido);• la biosfera (todos los seres vivos). Estos  subsistemas  son  interdepen-dientes  unos  de  los  otros  y  se encuentran  en  equilibrio  dinámico, teniendo en cuenta que las sustancias químicas se mueven de uno a los de-más subsistemas (Amparo et al. 2007).El  magma  contiene  gases  disueltos que  son  liberados  en  la  atmósfera durante la erupción. Con la excepción del  oxígeno  (O2),  generado  por  la fotosíntesis  de  las  plantas,  algas  y cianobacterias, todos los demás gases Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las CienciasUniversidad de Cádiz. APAC-Eureka. ISSN: 1697-011XDOI: 10498/14557  http://hdl.handle.net/10498/14557http://reuredc.uca.esFigura 1. Interacción entre los distintos subsistemas terrestres. (Web 1).ANA PAULA L. RODRIGUES                                                                                                                         DE LA GEOSFERA A LA BIOSFERA...se integraron a la atmósfera a través de erupciones volcánicas. Así, los gases son una parte clave de la actividad volcánica. y entre éstos están el vapor de agua (más abundante), seguido de dióxido de carbono y dióxido de azufre (Symonds et al. 1994).El azufre tiene un ciclo con dos depósitos: uno más grande, en la corteza terrestre y otro, más pequeño, en la atmósfera. Cuando está presente en la geosfera forma grandes depósitos de origen volcánico o se queda almacenado en forma de minerales de sulfato en los sedimentos. Con la erosión, se disuelve en agua en el suelo y toma la forma de ion sulfato (SO42−), por lo que se absorbe fácilmente por las raíces de las plantas. En la atmósfera, la mayor parte del azufre existe en combinación con el oxígeno para formar SO2 (dióxido de azufre). El azufre es esencial para la vida, forma parte de las moléculas de las proteínas, que son vitales para los seres  vivos.  La  naturaleza  recicla  azufre  cuando un animal  o  planta  muere.  Los  animales obtienen este elemento alimentándose.Los fenómenos naturales como la  actividad  volcá-nica y la descomposición de las plantas, emiten di-óxido  de  azufre  a  la atmósfera, lo que aumen-ta  la  acidez  del  agua  de lluvia,  pero  no  lo  sufi-ciente  como  para  causar daño ecológico, ya que el efecto  del  ácido  es  neu-tralizado en contacto con sustancias  alcalinas  en  el agua y el suelo (Schlesin-ger 1997). Sin embargo, las actividades humanas tienen un impacto importante en el ciclo del azufre mundial. Debido a la quema de carbón, gas natural y otros combustibles fósiles, ha aumentado considerablemente  la  cantidad  de  azufre  en  la  atmósfera,  especialmente  en  las  grandes ciudades. Esto explica la fuente del 80% de la contaminación por azufre, lo que contribuye a la formación de smog. Cuando se emite SO2 como contaminante del aire, se forma ácido sulfúrico a través de reacciones con el agua en la atmósfera (figura 2). En este caso, el pH de la lluvia podría reducirse a 4,3 o a un valor inferior, causando daños en los sistemas naturales.Con la experiencia que se presenta en este trabajo se pretende simular una erupción volcánica y posterior liberación de dióxido de azufre en el aire. Posterioremente se colecta el gas y se mezcla con agua, formando lluvia ácida. Poniendo invertebrados acuáticos como Daphnia en esta agua, los estudiantes pueden observar el efecto del cambio del pH en el ritmo cardíaco y en la vitalidad de estos pequeños crustáceos.Montaje experimentalMateriales necesarios: Dicromato de amonio (una cuchara sopera); azufre (una cuchara de té); virutas de cinta de magnesio (aproximadamente 1 cm); cerillas; volcán de arcilla o yeso; Erlenmeyer; papel de aluminio; embudo; agua (pH=7) para cultivo de  Daphnias;  cultivo de Daphnia magna; lupa o microscopio óptico; placa de Petri o lámina cóncava; medidor de pH; pipetas de Pasteur. 496Figura 2. Formación de lluvia ácida (Web 2).Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 8 (Núm. Extraordinario), 495−499, 2011           MONOGRÁFICO SOBRE CIENCIA RECREATIVA Riesgo: El dicromato de amonio y el azufre son sustancias irritantes que deben manipularse con  cuidado,  en  ambientes  ventilados.  Si  es  posible,  se  recomienda  la  utilización  de  un extractor de laboratorio.  Estos productos, además, son también inflamables, por lo que se deben respetar siempre todas las medidas de seguridad de la combustión.Geosfera: Se construye un modelo de un volcán en arcilla o yeso. En los volcanes, a medida que el magma se aproxima a la superficie, la presión disminuye y los gases que lo componen se liberan gradualmente (tal como al abrir una lata de un refresco con gas, el dióxido de carbono se escapa).Atmósfera: Se comprueba que los gases que se escapan de la erupción volcánica alteran la composición atmosférica.Para obtener “lluvia ácida”, se simula una erupción volcánica colocando dicromato de amonio y un poco de azufre en polvo en un volcán de arcilla, donde se juntan algunas virutas de cinta de magnesio, dejando algunas en posición vertical (Web 3). Estos productos son fácilmente inflamables  cuando se aproxima la  llama de una cerilla  a  una de las  virutas  de magnesio, iniciándose una reacción que se asemeja a una erupción volcánica con liberación de cenizas y gases como el dióxido de azufre, que es uno de los principales componentes de los gases volcánicos. Por ejemplo, el 13 de mayo de 1991, se liberaron 500 toneladas de dióxido de azufre  en  la  erupción  del  volcán  Pinatubo (Filipinas).  En la  experiencia,  el  dicromato  de amonio se transforma en óxido de cromo (III)  −sustancia  sólida  de color  verde oscuro−, formándose simultáneamente nitrógeno y vapor de agua que proyectan las partículas del óxido de cromo (cenizas) (Web 4). Tenemos, así, los ingredientes de la lluvia ácida: nitrógeno, vapor de agua y azufre. Finalmente, se recogen en un Erlenmeyer los gases liberados y se tapa con el papel de aluminio. La figura 3 ilustra todo el proceso descrito anterioremmente.Hidrosfera: A través de un embudo, se añade  al  Erlenmeyer  que  contiene  los gases,  agua del cultivo de  Daphnia (a la que se ha medido previamente el pH que deberá ser cerca de 7), tapando de nuevo y agitando.  Se mide nuevamente el  pH del  agua  que  deberá  ser  ahora  ácido (figura 4).Biosfera:  La  Daphnia es  un  micro-crustáceo de agua dulce, con aproxima-damente 1,5 mm de longitud (figura 5). Habitante  común  de  las  aguas  dulces interiores del globo, se alimenta de algas y  es  la  presa  principal  de  varios  peces, 497Figura 3. Erupción volcánica y recogida de gases.Figura 4. Adición de agua y medición del pH.ANA PAULA L. RODRIGUES                                                                                                                         DE LA GEOSFERA A LA BIOSFERA...siendo vulgarmente designada por “pulga de agua” debido a los movimientos específicos de sus segundas antenas que le dan la apariencia de moverse dando pequeños saltos. Presenta, como todos los crustáceos, un caparazón que, en su caso, sufre un cambio diario.En condiciones naturales, la  Daphnia magna se reproduce por partenogénesis cíclica,  lo que produce  tanto  clones  de  largo  término  como  poblaciones  de  reproducción  sexuada.  Sin embargo, en el laboratorio, donde las condiciones ambientales son favorables y constantes, la reproducción sexuada normalmente no se produce y la Daphnia magna se reproduce solamente partenogénicamente,  originando  numerosos  descendientes  genéticamente  idénticos  a  las hembras  progenitoras,  lo  que  permite  eliminar  la  variabilidad  de  orden  genético  de  los bioensayos.  Las  Daphnias se  utilizan  frecuentemente  como  modelo  biológico  porque  se mantienen fácilmente en el laboratorio (figura 5), donde es posible observar con facilidad sus órganos internos, dado que su caparazón es transparente.Estos seres vivos son también buenos bioindicadores, siendo sensibles a las alteraciones físico-químicas del agua, particularmente al pH. No soportan grandes alteraciones en este parámetro, por lo que se usan con profusión en bioensayos toxicológicos, concretamente en los análisis requeridos por la legislación europea para la evaluación ecotoxicológica de nuevos agentes químicos, de vertidos urbanos e industriales y de ecosistemas de agua dulce (Web 5). A partir de un cultivo de Daphnias mantenido en el laboratorio, se retiran algunos ejemplares saludables, los cuales se colocan en una placa de Petri o en una lámina cóncava, utilizando como medio de montaje el propio medio de cultivo. Se observan en el microscopio óptico, con una pequeña ampliación y se cuenta el número de latidos cardiacos por minuto. Con la ayuda de una pipeta de Pasteur se colocan las Daphnias en nuevas láminas, que contienen agua acidificada por los gases expulsados por el volcán y se vuelve a observar en el microscopio, haciendo nuevos registros del ritmo cardiaco, comportamiento y vitalidad del microcrustáceo. ConclusiónLa Tierra es un sistema compuesto, constituido por distintos subsistemas abiertos: atmósfera, hidrosfera, biosfera y geosfera. La compleja interacción de estos subsistemas hace de la Tierra un planeta dinámico que ha evolucionado y sufrido múltiples alteraciones a lo largo de sus 4600  millones  de  años  de  existencia.  Cambiando  los  ciclos  biogeoquímicos,  el  hombre provoca  desequilíbrios  demasiado  rápidos  o  intensos,  así  que  muchos  organismos  son 498Figura  5. (Izquierda)  Cultivo  de  Daphnia  magna en  el  laboratorio.  (Derecha) Ejemplar  de  Daphnia,  en  el  que  se  observa  el  corazón  (1)  y  los  huevos partenogénicos (2).2Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 8 (Núm. Extraordinario), 495−499, 2011           MONOGRÁFICO SOBRE CIENCIA RECREATIVA incapaces de adaptarse, provocando la  extinción de especies y la alteración de las cadenas alimentarias.A través de esta experiencia es posible observar cómo el azufre se transfiere naturalmente de la geosfera a la atmósfera. Sin embargo, si el equilibrio se desplaza a la formación de azufre atmosférico, se causará cambios severos en la hidrosfera y los organismos más sensibles, como el plancton y los invertebrados, pueden desaparecer. La química del agua también cambia la composición  química  de  los  invertebrados  acuáticos  (Havas  y  Hutchinson 1983),  la disminución del ritmo cardiaco y de la vitalidad (o incluso la muerte) de seres vivos como las Daphnias están relacionados con la alteración del pH del medio. Con un pH=5,0, los huevos de los peces se degradan y, aunque los peces adultos y las ranas pueden tolerar este pH, acaban por morir de hambre a medida que sus fuentes de alimento, menos resistentes, van desapareciendo. Cuando la lluvia ácida rompe la cadena alimenticia, la biodiversidad se reduce drásticamente. El bajo pH también  libera metales pesados, como el aluminio en los lagos, produciendo que algunos peces segreguen moco en exceso alrededor de las branquias, lo que perjudica su respiración (Web 6). AgradecimientosLa traducción al castellano de este trabajo ha sido realizada por Carolina Gil Rostra.ReferenciasAmparo D. S.,  Gramaxo F.,  Santos  M.  E.,  Mesquita  A. F.  (2007)  Terra,  Universo  de  Vida,  Geologia. Porto, Porto Editora. pp. 10-18. Symonds R. B., Rose W. I., Bluth G., Gerlach T. M. (1994) Volcanic gas studies: methods, results, and applications, en Carroll M. R., Holloway J. R. [eds.],  Volatiles in Magmas: Mineralogical Society of America Reviews in Mineralogy 30, 1-66. http://volcanoes. usgs.gov/hazards/gas/index.phpSchlesinger  W. H.  (1997)  Biogeoquímica  de  uma análise  das  alterações  globais,  2ª  ed.  San Diego, California,  Academic  Press.  http://www.ufpel.edu.br/iqg/livrovirtual/estanteamb_ arquivos/enxofre.pdfHavas M., Hutchinson T. C. (1983) Effect of low pH on the chemical composition of aquatic invertebrates from tundra ponds at the Smoking Hills, NWT, Canada. Canadian Journal  of Zoology 61, 241-249.Web 1 http://e-teacher.blogs.sapo.pt/500.htmlWeb 2 www.uems.br/popciencia/imagens/chuva.jpgWeb 3  http://www.esb.ucp.pt/twt4/motor/display_texto.asp?pagina=vulcao2004051386248 95&bd=cecWeb 4 http://www.explicatorium.com/LAB-Vulcao.php Web 5 http://www.cimar.org/BiolVerao/dafnia.htmWeb 6 http://www.explicatorium.com/Chuvas-acidas.php499

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