Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles

I 0 flashcards i 5 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS SISTEMA TERRA Grau en Biologia Universitat de Barcelona AprenAI 2026-2027 Apunts de Sistema Terra (Biologia UB): teoria de sistemes, balanç radiatiu, termodinàmica dels éssers vius, diversitat metabòlica i cicle global del carboni.

APREN.AI Índex 1 Teoria de sistemes, habitabilitat planetària i formació de l'atmosfera Fonaments de la teoria de sistemes i tipologies Acoblaments i circuits de retroalimentació (feedbacks) Visions globals de la biosfera: Hipòtesi Gaia i Hipòtesi Medea Criteris d'habitabilitat estel·lar i planetària Origen de l'aigua superficial i evolució de l'atmosfera terrestre Diferenciació atmosfèrica entre Mart, Venus i la Terra 2 Radiació solar i balanços energètic i tèrmic del Sistema Terra Física de la radiació solar i espectre electromagnètic Processos d'atenuació a l'atmosfera i quantificació del flux Balanç energètic planetari Balanç tèrmic i efecte d'hivernacle 3 Termodinàmica dels éssers vius i captació d'energia lumínica Termodinàmica dels éssers vius i paradoxa de Schrödinger Radiació fotosintèticament activa (PAR) i balanç fotosintètic Pigments captadors, accessoris i separació en laboratori 4 Diversitat metabòlica, elements biogènics i extremòfils Els sis bioelements primordials i la seva química ambiental Classificació metabòlica multidimensional Cronologia evolutiva dels metabolismes Organismes extremòfils: tipologies i adaptacions 5 Dinàmica dels cicles biogeoquímics i cicle global del carboni Conceptes fonamentals dels cicles biogeoquímics Cicle del carboni orgànic: dinamismes curt, mitjà i sedimentari Cicle del carboni inorgànic i el termòstat planetari 6 Formulari Radiació electromagnètica i física solar Balanç tèrmic i efecte d'hivernacle Dinàmica de reservoris i cicles biogeoquímics Constants, paràmetres i errors típics Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions.

Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important. Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 1 1 Teoria de sistemes, habitabilitat planetària i formació de l'atmosfera EN ACABAR SABRÀS Distingir els tipus de sistemes, acoblaments i bucles de retroalimentació reguladors. Comparar les hipòtesis biogeològiques de Gaia i Medea en l'estabilitat planetària. Explicar els requisits d'habitabilitat i les diferències evolutives entre Mart, Venus i la Terra. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Per què Mart i Venus, havent nascut al mateix temps que la Terra a partir del mateix núvol de pols, tenen atmosferes tan radicalment hostils?

La dinàmica de la Terra s'analitza científicament observant el planeta com una entitat integrada i interconnectada. Per comprendre els processos globals climàtics i biogeoquímics, cal utilitzar el marc analític de la teoria general de sistemes.

ESQUEMA Estructura del Sistema Terra Teoria de Sistemes Fronteres, acoblaments i retroalimentacions Classificació de Sistemes Oberts, tancats i aïllats Feedbacks Bucles positius i negatius Models Gaia i Medea Autoregulació enfront tendència autodestructiva Habitabilitat Planetària Balanç estel·lar, aigua líquida i protecció còsmica Zona Habitable Criteris d'òrbita i presència d'aigua Escut Gravitatori Filtratge d'impactes gràcies a Júpiter Evolució Atmosfèrica Desgasificació, fotòlisi i transició oxidant Origen de l'Aigua Teories volcànica i meteòrica Diferenciació Planetària Contrast entre Mart, Venus i Terra Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 2 Fonaments de la teoria de sistemes i tipologies Un sistema és un conjunt d'elements organitzats que interactuen funcionalment entre si i mantenen relacions amb el seu entorn circumdant.

Tot sistema disposa d'unes fronteres o límits físics i conceptuals que el delimiten. Segons el tipus d'intercanvi que mantenen a través de les seves fronteres amb el medi exterior, els sistemes es classifiquen en diferents categories: Sistema obert: manté un flux constant tant de matèria com d'energia amb l'entorn. Els diferents subsistemes terrestres (com la hidrosfera, l'atmosfera o la biosfera) són sistemes oberts. Sistema tancat: intercanvia energia amb l'exterior, però no pas matèria. La Terra és un sistema energèticament obert i materialment tancat. Rep radiació solar i emet radiació infraroja a l'espai, però pràcticament no guanya ni perd massa material.

Sistema aïllat: no intercanvia ni matèria ni energia amb el seu entorn exterior. Així mateix, els sistemes es cataloguen com a simples o complexos en funció de la quantitat d'elements constituents i de la xarxa d'interaccions no lineals que s'hi produeixen. DEFINICIÓ L'estat d'un sistema és el conjunt d'atributs o variables d'estat que descriuen la seva condició física i química en un moment determinat, determinant si es troba o no en una posició d'equilibri. Acoblaments i circuits de retroalimentació (feedbacks) Les connexions mútues entre els components o subsistemes s'anomenen acoblaments.

Aquests permeten transmetre les pertorbacions i coordinar la resposta dinàmica del sistema: Acoblament positiu: una variació en el primer component produeix un canvi en el segon component en el mateix sentit. Per exemple, un augment d'emissió tèrmica en una resistència elèctrica eleva directament la temperatura corporal. Acoblament negatiu: una variació en el primer component indueix un canvi de signe contrari en el segon component. Si el cos experimenta un excés de calor, es redueix la potència del calefactor per refredar-lo. Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 3 Esquema dels convenis d'acoblament positiu i negatiu entre components.

Quan dos o més acoblaments es tanquen sobre si mateixos, conformen un circuit de retroalimentació o feedback loop: Retroalimentació positiva: amplifica i accelera la pertorbació inicial, allunyant el sistema del seu punt de partida i conduint-lo a un equilibri inestable o a nous estats. Un exemple biològic clau és una poma podrida que allibera etilè, accelerant la maduració i el deteriorament de la resta de fruites. En l'àmbit climàtic, la fusió del gel marí disminueix l'albedo superficial, fet que intensifica l'absorció de calor i fon encara més gel (per aprofundir en el balanç reflectiu terrestre, vegeu «Radiació solar i balanços energètic i tèrmic del Sistema Terra»).

Retroalimentació negativa: contraresta i amorteix els canvis inicials, generant respostes compensatòries que preserven l'equilibri estable i promouen l'homeòstasi. Aquest mecanisme és essencial per a l'estabilitat tèrmica global del planeta. ERROR FREQÜENT Confondre una retroalimentació positiva amb un procés «beneficiós». En ciència de sistemes, el terme «positiu» només descriu l'amplificació de la tendència (sigui cap a l'escalfament o cap al refredament), la qual cosa desestabilitza el sistema. La retroalimentació negativa és la que actua com a fre estabilitzador. COMPROVA-HO 2 Què passa quan un bucle climàtic està dominat per una retroalimentació negativa?

Visions globals de la biosfera: Hipòtesi Gaia i Hipòtesi Medea La interpretació del paper de la vida sobre l'estabilitat planetària ha donat lloc a dues teories globals contraposades: Hipòtesi Gaia: planteja que la biosfera, l'atmosfera, els oceans i l'escorça superficial actuen de manera coordinada com un superorganisme que autoregula activament la temperatura i la Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 4 composició química planetària per optimitzar i mantenir les condicions per a la vida.

Hipòtesi Medea: planteja una visió oposada i antigaiana, sostenint que la biota és intrínsecament destructiva o suïcida, ja que genera canvis metabòlics dràstics que provoquen desequilibris severs i grans crisis biològiques. Criteris d'habitabilitat estel·lar i planetària Cal distingir de manera estricta entre un ambient habitable (zona amb condicions físiques i químiques capaces de sustentar la vida) i un ambient efectivament habitat (lloc on la vida s'ha originat o establert de forma confirmada).

PROCÉS Condicions per a l'habitabilitat planetària 1 Posició Galàctica Segura Allunyada del centre i dels braços densos 2 Zona Habitable Estel·lar Permet la coexistència de tres estats de l'aigua 3 Massa i Gravetat Retenció d'un embolcall gasós ric i dens 4 Tectònica i Geodinàmica Reciclatge d'elements i generació de camp magnètic Perquè un planeta sigui habitable, han de convergir múltiples factors còsmics i geològics: COMPROVA-HO 3 Quina és la raó fonamental per la qual l'aigua líquida superficial és tan rara al cosmos?

Ubicació galàctica adequada: el nostre Sistema Solar se situa en una franja intermèdia entre el nucli galàctic (ric en radiació destructiva, metalls i forats negres massius) i els braços espirals exteriors (on la freqüència de supernoves és elevada). 1 Posició a la zona d'habitabilitat estel·lar: distància respecte a l'estrella que possibilita temperatures superficials moderades. Això permet que l'aigua coexisteixi de manera estable en els seus tres estats (líquid, vapor i sòlid), donant lloc a un cicle hidrològic actiu. En l'espai còsmic, el 99% de l'aigua es troba en forma de gel sòlid i l'1% com a vapor; la fase líquida superficial és excepcional.

2 Escut gravitatori protector: la massa i la posició de planetes gasosos gegants com Júpiter desvien o intercepten asteroides i cometes, reduint la taxa d'impactes destructius sobre els planetes rocosos interns. 3 Tectònica de plaques i camp magnètic actiu: manté el reciclatge continu de bioelements clau (com C, N, P, S), genera una massa continental exposada, alimenta la desgasificació volcànica i sosté un camp magnètic per rotació del nucli que blinda el planeta contra el vent solar.

4 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 5 Origen de l'aigua superficial i evolució de l'atmosfera terrestre La formació del Sistema Solar es remunta a fa 4.500 milions d'anys a partir de pols estel·lar que va condensar planetes interiors rocosos (Mercuri, Venus, Terra i Mart) i planetes exteriors jovians (Júpiter, Saturn, Urà i Neptú). L'aigua superficial de la Terra s'explica mitjançant dues grans explicacions: Teoria volcànica (geoquímica): l'aigua prové de l'interior del mantell terrestre, dissolta al magma primitiu, i va ser expulsada per desgasificació a través de les primeres erupcions en forma de vapor d'aigua.

En refredar-se la litosfera, es va condensar originant els oceans primitius, recolzada per evidències minerals de clor. Teoria meteòrica (astronòmica): l'aigua hauria arribat transportada per l'impacte primerenc d'asteroides, cometes i cossos extrasolars rics en gel d' . L'atmosfera terrestre no ha estat sempre com avui en dia. En les fases inicials, la Terra presentava una atmosfera reductora primària composta principalment per heli ( ) i hidrogen ( ), que es van escapar ràpidament a l'espai per la seva baixa massa molar. Aquesta va donar pas a una atmosfera rica en vapor d'aigua ( ), metà ( ) i amoníac ( ). Esquema de la fotòlisi d'aigua i oxidació atmosfèrica primitiva.

A través de la fotòlisi provocada per la radiació ultraviolada solar, les molècules d'aigua es van dissociar: L'oxigen lliure generat va reaccionar amb els compostos reduïts de l'aire, oxidant l'amoníac cap a nitrogen gasós ( ) i el metà cap a diòxid de carboni ( ). Aquest procés va transformar gradualment l'embolcall gasós terrestre en una atmosfera neutra dominada per i , abans que l'activitat biològica la convertís finalment en oxidant.

Diferenciació atmosfèrica entre Mart, Venus i la Terra Malgrat compartir una gènesi similar com a planetes terrestres interiors fa 4.500 milions d'anys, Mart, Venus i la Terra van seguir rumbs evolutius completament divergents a causa de la seva massa i la seva distància al Sol: H O 2 He H H O 2 CH 4 NH 3 2H O + 2 radiaci UV o ˊ 2H + 2 O 2 2NH 3 N + 2 3H 2 CH + 4 2O 2 CO + 2 2H O 2 N 2 CO 2 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 6 Planeta Massa i gravetat Pressió i característiques atmosfèriques Tectònica i temperatura Mart Massa reduïda; gravetat feble incapaç de retenir gasos lleugers.

Pressió molt baixa; atmosfera tènue dominada per (amb traces de i ); absència de núvols o vapor d'aigua apreciable. Inactiva; calor intern insuficient i desgasificació insignificant. Rang tèrmic de -113 °C a 0 °C; no reuneix condicions per a l'activitat bioquímica bàsica actual, tot i tenir sediments del passat. Venus Massa similar a la de la Terra; gravetat suficient per retenir gasos. Pressió extrema; atmosfera molt densa dominada per , amb núvols espessos d'àcid sulfúric i òxids de sofre volàtils. Sense tectònica de plaques activa; el no reacciona amb les roques ni es fixa, derivant en un efecte d'hivernacle desbocat que el fa més calent que Mercuri.

Terra Massa òptima per retenir un embolcall gasós estable sense col·lapse. Pressió d'1 atm; estructura en capes (troposfera, estratosfera amb ozó, mesosfera) rica en i . Tectònica de plaques activa que recicla carboni. Temperatura mitjana de 15 °C gràcies a l'efecte d'hivernacle (seria de -18 °C sense aquest) i aigua líquida superficial estable. COMPROVA-HO 4 Per què Venus presenta temperatures més altes que Mercuri estant més lluny del Sol? IDEES CLAU La Terra és un sistema energèticament obert a la radiació solar i infraroja, però tancat des del punt de vista material.

Els acoblaments positius amplifiquen les desviacions de l'estat inicial, mentre que els acoblaments negatius estabilitzen el sistema mitjançant retroaccions compensatòries. La hipòtesi Gaia descriu la Terra com un superorganisme autoregulat, en contrast amb la hipòtesi Medea, que concep la vida com a intrínsecament destructiva. La zona d'habitabilitat requereix distància estel·lar òptima, aigua en els seus tres estats, tectònica de plaques activa i la protecció gravitatòria de gegants gasosos com Júpiter. L'atmosfera terrestre va evolucionar d'una composició inicial reductora ( , , ) cap a una mescla oxidant dominada per nitrogen i oxigen molecular. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 5.

En quina categoria de sistema s'enquadra la Terra i quina diferència física presenta respecte als seus subsistemes? 6. Com va passar l'atmosfera primitiva de ser rica en amoníac i metà a estar dominada per nitrogen i diòxid de carboni? CO 2 N 2 O 2 CO 2 CO 2 N 2 O 2 H O 2 NH 3 CH 4 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 7 Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 7. Com es defineix termodinàmicament el planeta Terra? 8. Quin paper tenen els bucles de retroalimentació negativa en el clima? 9. Quina diferència fonamental hi ha entre Gaia i Medea? 10. Per què Mart va perdre la seva capacitat de retenir una atmosfera densa?

2 Radiació solar i balanços energètic i tèrmic del Sistema Terra EN ACABAR SABRÀS Relacionar la longitud d'ona i la freqüència de la radiació solar amb la seva energia mitjançant les equacions fonamentals. Distingir els mecanismes d'atenuació atmosfèrica: reflexió, dispersió i absorció molecular. Desglossar numèricament el balanç radiatiu de la Terra tant en l'atmosfera com en la superfície. Calcular i justificar la diferència de 33 °C entre la temperatura d'equilibri teòrica i la temperatura real del planeta.

Sistema tancat a l'energia a) Sistema aïllat sense intercanvis b) Sistema obert a la matèria c) Sistema tancat materialment i obert energèticament d) Amplifiquen pertorbacions externes desestabilitzadores a) Mantenen l'equilibri mitigant els canvis b) Impossibiliten qualsevol intercanvi d'energia c) Indueixen efectes d'hivernacle desbocats d) Medea defensa l'autoregulació perenne a) Cap de les dues considera la biosfera b) Gaia proposa autoregulació homeostàtica pro-vida c) Gaia defensa un comportament biològic suïcida d) A causa d'un excés de calor a) Per tenir un efecte d'hivernacle desbocat b) Per la seva proximitat extrema al Sol c) Per una gravetat feble i manca de calor intern d) Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 8 PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 11 Si la Terra rep constantment una gran quantitat d'energia del Sol, per què el planeta no s'escalfa contínuament fins a cremar-se?

Física de la radiació solar i espectre electromagnètic L'energia que sosté la dinàmica climàtica i biològica terrestre prové del Sol en forma d'ones electromagnètiques. Totes aquestes radiacions viatgen en el buit a una velocitat constant de .

La relació fonamental entre la velocitat, la freqüència ( ) i la longitud d'ona ( ) estableix que la freqüència és inversament proporcional a la longitud d'ona: Segons la física quàntica, cada fotó transporta una quantitat discreta d'energia ( ) proporcional a la seva freqüència mitjançant la constant de Planck ( ): Com més curta és la longitud d'ona d'una radiació, més gran és la seva freqüència i, per tant, més energia transporta cadascun dels seus fotons. Aquesta diferència energètica determina de quina manera interactua la radiació amb la matèria viva i els gasos: Radiació d'ona curta (alta energia): com els raigs gamma, raigs X i part de l'ultraviolat ( ).

Tenen prou energia per ionitzar àtoms i trencar enllaços moleculars. Radiació visible: compresa aproximadament entre (blau) i (roig). Té el nivell energètic òptim per ser captada amb precisió i activar transicions electròniques moleculars sense destruir la matèria viva. Radiació infraroja (baixa energia): longituds d'ona superiors a . Els seus fotons no ionitzen, però exciten la vibració molecular i augmenten la mobilitat tèrmica, accelerant reaccions químiques. Esquema de l'espectre electromagnètic segons la longitud d'ona i el visible.

c = 3 10 m/s 8 f λ f = λ c E h E = h f = λ h c λ < 400 nm 400 nm 700 nm 700 nm Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 9 COMPROVA-HO 12 Per què la radiació ultraviolada té capacitat de causar alteracions químiques enfront de la radiació infraroja? Processos d'atenuació a l'atmosfera i quantificació del flux Quan el feix solar travessa l'atmosfera terrestre en línia recta, pateix una pèrdua d'intensitat o atenuació que depèn de la mida, composició i naturalesa de les partícules trobades, així com de la longitud d'ona incident.

Aquest afebliment es produeix mitjançant tres mecanismes físics diferenciats: Mecanisme Canvi de trajectòria Canvi espectral ( , ) Efecte clau al Sistema Terra Dispersió Sí (canvi d'angle en el medi) No (es manté) Genera radiació difusa i color blau celeste (Rayleigh) Reflexió Sí (retorn al medi inicial) No (es manté) Retorna directament el 30% del flux solar a l'espai (albedo) Absorció Cessió a la matèria Sí (transferència d'energia) Escalfa l'aire i altera la distribució de longituds d'ona La radiació solar incident es pot avaluar mitjançant models matemàtics teòrics o instruments de mesura física en superfície, diferenciant quatre components: Directa: rajos solars que arriben en línia recta sense haver patit dispersió.

Difusa: radiació solar dispersada en múltiples angles per gasos i aerosols que acaba assolint el terra. Reflectida: fracció procedent del rebot sobre superfícies inclinades o del terreny proper. Global o total: suma aritmètica de les components directa, difusa i reflectida. COMPROVA-HO 13 Quina diferència mecànica fonamental hi ha entre la dispersió i l'absorció atmosfèrica? Dispersió: desviació de la trajectòria del feix sense absorció d'energia neta ni canvi de freqüència o longitud d'ona.

Segons la mida de les partícules respecte a la longitud d'ona, es distingeixen la dispersió de Rayleigh (partícules molt més petites que la longitud d'ona, selectiva per a ones curtes i responsable del color del cel) i la dispersió de Mie (aerosols i gotes d'aigua de mida comparable a la radiació). 1 Reflexió: canvi de direcció de la radiació cap al mateix medi incident sense alteració espectral. La fracció reflectida per una superfície respecte a la incident s'anomena albedo ( ). L'albedo mitjà de la Terra és del 30% ( ).

2 a = r /r ref inc a = 0,30 Absorció atmosfèrica: transformació de l'energia radiant en energia tèrmica interna quan la freqüència d'ona coincideix amb la freqüència de vibració molecular dels gasos atmosfèrics. Això provoca un canvi en les característiques espectrals de l'ona incident. 3 f λ Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 10 Balanç energètic planetari La Terra manté la seva estabilitat climàtica gràcies a l'equilibri entre la radiació d'ona curta que rep del Sol i la radiació d'ona llarga que remet a l'espai. Qualsevol modificació continuada en aquest balanç d'entrades i sortides força una variació climàtica global.

Aquest equilibri es veu modulat per cinc factors principals: Variacions orbitals terrestres: modifiquen la geometria de la insolació i l'estacionalitat al llarg de cicles astronòmics. Variabilitat solar: canvis físics en l'activitat de l'estrella, com la recurrència de taques solars. Activitat volcànica: injecció d'aerosols de diòxid de sofre, pols i cendres a l'estratosfera, que incrementen l'albedo planetari. Composició atmosfèrica: variació en la concentració de gasos d'efecte d'hivernacle.

Retroalimentacions (feedbacks): respostes internes del sistema climàtic, com canvis en la cobertura de gel que reajusten l'albedo (vegeu «Teoria de sistemes, habitabilitat planetària i formació de l'atmosfera»). Del 100% de la radiació incident al límit superior de l'atmosfera ( ), el 49% es dissipa abans d'arribar a la superfície: un 30% és reflectit directament cap a l'espai (6% per l'aire atmosfèric, 20% pels núvols i 4% per la superfície) i un 19% és absorbit directament a l'atmosfera (16% pels gasos i 3% pels núvols). Per tant, només el 51% restant és absorbit per les terres emergides i els oceans. Diagrama del balanç energètic global entre fluxos incidents, reflectits i emesos.

Aquest 51% d'energia disponible s'acaba dissipant i transferint cap a l'atmosfera i l'espai exterior mitjançant quatre canals: Calor latent per evaporació d'aigua (23%): transferència d'energia lligada al canvi de fase de l'aigua superficial cap a vapor, alliberada en condensar-se als núvols. Radiació infraroja absorbida per l'atmosfera (15%): calor d'ona llarga emesa per la superfície que queda retinguda pels gasos atmosfèrics. Conducció tèrmica i masses d'aire (7%): escalfament de les capes baixes d'aire en contacte directe amb el sòl i ascens convectiu.

342 W/m2 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 11 Radiació emesa directament a l'espai (6%): fracció que s'escapa cap a l'exterior a través de la finestra atmosfèrica sense interacció. PROCÉS Dissipació superficial del 51% d'energia solar ERROR FREQÜENT Confondre el percentatge de reflexió global (albedo total del 30%) amb el repartiment de pèrdues de la superfície terrestre. Recorda que l'albedo és exclusivament la radiació retornada sense absorció (20% núvols, 6% atmosfera, 4% terra). En canvi, el 51% que sí que absorbeix la superfície es dissipa majoritàriament per calor latent d'evaporació (23%) i mai per reflexió.

Balanç tèrmic i efecte d'hivernacle Per mantenir una temperatura constant, la Terra ha d'emetre tanta energia com la que absorbeix ( ). Considerant el planeta com un disc interceptor de radiació solar que radia des de tota la seva esfera, podem plantejar el balanç segons la llei d'Stefan-Boltzmann ( , on ): Il·lustració del flux solar interceptat pel disc de la Terra.

Absorció superficial (51%) Energia solar captada per continents i oceans 1 Calor latent (23%) Evaporació d'aigua transferida a l'atmosfera 2 Radiació infraroja (15%) Emesa pel sòl i absorbida per l'aire 3 Conducció i convecció (7%) Escalfament directe de les masses d'aire 4 Emissió directa (6%) Radiació que fuig directament a l'espai 5 E = absorbida E emesa E = σ A T4 σ = 5,67 10 W/(m K ) 8 2 4 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 12 EQUACIÓ DEL BALANÇ TÈRMIC TEÒRIC L'energia interceptada pel planeta de radi davant d'una constant solar és .

Descomptant l'albedo ( ): Igualant-la a l'emissió tèrmica com a cos negre per la superfície esfèrica total ( ): Aïllant la temperatura efectiva teòrica ( ): Substituint les dades canòniques en aquesta fórmula, s'obté una temperatura teòrica d'equilibri de -18 °C (255 K). No obstant això, la temperatura mitjana real de la superfície terrestre ( ) és d'aproximadament 15 °C (288 K).

La magnitud de l'efecte d'hivernacle ( ) es defineix per la diferència tèrmica entre ambdues: Aquest escalfament de 33 °C per sobre de l'equilibri radiatiu nu és causat per la presència de gasos d'efecte d'hivernacle a l'atmosfera, els quals retenen temporalment la radiació infraroja tèrmica abans que s'escapi a l'espai. Així, existeix un acoblament positiu entre la superfície i l'atmosfera: en augmentar la temperatura superficial, creix l'emissió calorífica, estabilitzant el balanç global. COMPROVA-HO 14 Quina seria la temperatura mitjana de la superfície terrestre si desapareguessin tots els gasos d'efecte d'hivernacle mantenint l'albedo actual?

IDEES CLAU La freqüència de la radiació és inversament proporcional a la longitud d'ona ( ) i directament proporcional a l'energia transportada ( ). L'albedo terrestre és del 30% ( ), mesura de la radiació solar reflectida directament a l'espai sense canvi d'energia. El 49% del flux solar és dissipat per l'atmosfera abans d'arribar al terra (30% reflectit i 19% absorbit per gasos i núvols). El 51% de la radiació incident és captat per la superfície i es redistribueix en un 23% per calor latent d'evaporació, un 15% per radiació atmosfèrica, un 7% per conducció i un 6% emès directament a l'espai.

El càlcul del balanç d'emissió sense atmosfera dona una temperatura teòrica de -18 °C; l'efecte d'hivernacle aporta una diferència de +33 °C per assolir els 15 °C reals. R S = 1370 W/m2 S πR2 a = 0,30 E = absorbida πR 2 S (1 a) 4πR2 πR 2 S (1 a) = 4πR 2 σ T e 4 T e T = e 4 4σ S (1 a) T m ΔT g ΔT = g T m T = e 15 C ( 18 C) = 33 C f = c/λ E = h f a = 0,30 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 13 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 15. Quina fracció de la radiació solar arriba a la superfície terrestre i quina és la seva principal via de pèrdua? 16. A partir de quins dos paràmetres físics es calcula la temperatura teòrica d'equilibri de -18 °C de la Terra?

Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 17. Quina fracció exacta del flux solar incident reflecteix el Sistema Terra en conjunt? 18. Com es dissipa la major part de l'energia solar absorbida per la superfície terrestre? 19. Quina és la relació quàntica bàsica entre longitud d'ona i energia del fotó? 20. Quant augmenta la temperatura de la superfície terrestre gràcies a l'efecte d'hivernacle? 3 Termodinàmica dels éssers vius i captació d'energia lumínica EN ACABAR SABRÀS Distingir com els éssers vius mantenen l'ordre intern d'acord amb el segon principi de la termodinàmica.

Identificar els límits espectrals de la radiació fotosintèticament activa (PAR) i explicar el fenomen de saturació lumínica. Comparar l'espectre d'absorció i la funció dels principals pigments fotosintètics vegetals i bacterians.

El 49% a) El 51% b) El 30% c) El 19% d) Com a calor latent d'evaporació (23%) a) Per absorció atmosfèrica directa (15%) b) Mitjançant conducció d'aire (7%) c) Per radiació directa a l'espai (6%) d) Són magnituds totalment independents a) A menor longitud d'ona, més energia b) A major longitud d'ona, més energia c) L'energia depèn únicament de la velocitat d) Exactament 15 °C a) Exactament 33 °C b) Exactament 18 °C c) Exactament 51 °C d) Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 14 PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 21 Com pot un organisme viu crear estructures moleculars altament ordenades sense trencar la llei de l'augment d'entropia?

Termodinàmica dels éssers vius i paradoxa de Schrödinger Els éssers vius presenten un conjunt d'atributs biològics que els diferencien de la matèria inerta. Aquests trets inclouen una organització estructural complexa, la capacitat de creixement cel·lular, el manteniment de l'homeòstasi mitjançant autoregulació fisiològica, la reproducció i l'evolució biològica a través de variacions en el material genètic al llarg de generacions successives. Des del punt de vista de la física clàssica, aquests atributs plantegen un conflicte aparent conegut com la paradoxa de Schrödinger.

El segon principi de la termodinàmica estableix que en qualsevol transformació energètica espontània l'entropia de l'univers augmenta de manera irreversible. Com pot la vida construir estructures altament ordenades sense violar aquesta llei? DEFINICIÓ La paradoxa es resol reconeixent que els organismes són sistemes oberts que operen lluny de l'equilibri termodinàmic. La vida no és un sistema aïllat; genera ordre intern absorbint energia d'alta qualitat del medi extern i dissipant energia degradada en forma de calor. En termes de Schrödinger, l'organisme «s'alimenta d'entropia negativa» o negentropia.

Els processos metabòlics espontanis presenten una variació d'energia lliure de Gibbs negativa ( ). En acoblar aquestes reaccions amb la captació de radiació solar o energia química, la cèl·lula manté la seva baixa entropia interna augmentant l'entropia global de l'entorn. ΔG < 0 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 15 Esquema del flux d'energia des de la fotosíntesi fins a la dissipació tèrmica. COMPROVA-HO 22 Per què la disminució d'entropia en una cèl·lula viva no contradiu el segon principi de la termodinàmica? Radiació fotosintèticament activa (PAR) i balanç fotosintètic La font primària que sosté aquest estat de no equilibri a la biosfera és la llum solar.

Tanmateix, els organismes autòtrofs només poden aprofitar una fracció concreta de l'espectre electromagnètic. DEFINICIÓ La radiació fotosintèticament activa (coneguda com a PAR per les seves sigles en anglès) és la fracció de l'espectre solar compresa exactament entre 400 nm i 700 nm, l'única capaç d'excitar els pigments vegetals per sintetitzar matèria orgànica. La disponibilitat d'aquesta radiació varia àmpliament a la superfície del planeta segons factors geogràfics i atmosfèrics: Variabilitat espacial: la regió equatorial rep la quantitat més gran de radiació incident a causa de l'angle d'incidència solar (vegeu «Radiació solar i balanços energètic i tèrmic del Sistema Terra»).

Variabilitat temporal: la intensitat lumínica canvia al llarg de les estacions de l'any i de les hores del dia. Atenuació atmosfèrica: la nuvolositat i els dies plujosos dispersen o absorbeixen una part considerable de la PAR. Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 16 La taxa fotosintètica augmenta a mesura que creix la intensitat lumínica incident. No obstant això, aquesta resposta assoleix un límit fisiològic o punt de saturació fotosintètica, a partir del qual la taxa d'assimilació es manté constant perquè l'aparell bioquímic queda saturat. Esquema del balanç i eficiència de conversió de la PAR incident.

EXEMPLE Si la radiació solar interceptada i distribuïda per a la Terra és d'uns 343 W/m², aproximadament el 50 % correspon a la PAR (170 W/m²). Amb una producció primària mitjana d'uns 0,240 W/m² (0,35 g C/m² · dia), l'eficiència neta global de la fotosíntesi és d'un 1,4 respecte a la PAR disponible. COMPROVA-HO 23 Què passa amb el rendiment d'una planta quan la intensitat de la llum supera el límit de saturació de la PAR? Pigments captadors, accessoris i separació en laboratori Per absorbir els fotons dins del rang espectral de la PAR i fraccions contigües, els organismes fotosintètics disposen de diversos pigments especialitzats situats en membranes cel·lulars o tilacoidals.

Grup de pigments Molècules principals Espectre d'absorció Funció biològica Organismes on es troben Clorofil·les Clorofil·la a i clorofil·la b 600-700 nm (Chl a) 400-500 nm (Chl b) Captació i conversió de l'energia lumínica en enllaços químics Eucariotes, cloròfits, euglenes i certs procariotes Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 17 Grup de pigments Molècules principals Espectre d'absorció Funció biològica Organismes on es troben Carotenoides Carotens i xantofil·les Regió blava- blava/verdosa Pigments accessoris d'antena i antioxidants fotoprotectors (desintoxicació de formes reactives d'oxigen) Plantes, algues i diversos bacteris fotosintètics Ficobiliproteïnes Ficocianina, ficoeritrina Zona central de l'espectre visible Pigments accessoris hidrosolubles per a captació lumínica Cianobacteris i algues superiors (rodòfits) Bacterioclorofil·les Tipus a, b, c, d, e, g 350 nm a 800 nm Fotosíntesi anoxigènica en bacteris adaptats a nínxols amb poca llum visible Bacteris porpra (a, b), bacteris verds del sofre (c, d, e) i heliobacteris (g) Els carotenoides són liposolubles i compleixen una doble funció vital: actuen com a antenes captadores transferint energia cap a les clorofil·les i, alhora, protegeixen l'aparell fotosintètic desactivant espècies oxidants nocives.

En canvi, les ficobiliproteïnes són complexes proteics solubles en aigua. ERROR FREQÜENT Confondre el rang espectral de la vegetació verda amb el dels bacteris fotosintètics. Mentre que les plantes només utilitzen la PAR ( ), les bacterioclorofil·les permeten aprofitar radiacions d' fins a , incloent l'infraroig proper. A l'hora d'analitzar aquests compostos al laboratori, s'utilitzen mètodes de fraccionament químic basats en les seves propietats físiques i de solubilitat.

Les tècniques habituals comprenen la cromatografia en paper, la cromatografia líquida i la separació analítica automatitzada mitjançant cromatògraf, les quals aïllen cada fracció segons la seva afinitat relativa per una fase estacionària i una fase mòbil. COMPROVA-HO 24 Quina funció diferencial compleixen els carotenoides respecte a les clorofil·les en l'aparell fotosintètic? 400–700 nm 350 nm 800 nm Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 18 IDEES CLAU Els éssers vius mantenen la seva estructura ordenada lluny de l'equilibri gràcies a l'absorció contínua d'energia i a la dissipació de calor cap a l'entorn (negentropia).

La paradoxa de Schrödinger queda resolta perquè la biosfera és un sistema termodinàmic obert regulat per reaccions espontànies amb . La radiació fotosintèticament activa (PAR) se situa de manera estricta entre els i els . Els bacteris fotosintètics amplien el rang d'aprofitament espectral entre i mitjançant les bacterioclorofil·les. Els carotenoides protegeixen les cèl·lules mitjançant acció antioxidant, a més d'actuar com a pigments antena accessoris. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 25. Com resol la termodinàmica del no equilibri la suposada contradicció entre la vida i la segona llei de la termodinàmica? 26.

Quin és l'interval de longitud d'ona de la PAR i per què una intensitat lumínica excessiva deixa d'augmentar la fotosíntesi? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 27. Quin és el rang espectral exacte de la radiació fotosintèticament activa (PAR)? 28. Com aconsegueix un organisme viu mantenir la seva baixa entropia interna? 29. Quina funció clau tenen els carotenoides a més de captar llum? 30. Fins a quina longitud d'ona poden aprofitar la radiació els bacteris fotosintètics?

ΔG < 0 400 nm 700 nm 350 nm 800 nm De 400 nm a 700 nm a) De 350 nm a 800 nm b) De 200 nm a 400 nm c) De 600 nm a 900 nm d) Assolint l'equilibri termodinàmic estàtic a) Comportant-se com un sistema aïllat b) Invertint el segon principi termodinàmic c) Dissipant calor i degradant energia a l'entorn d) Substituir l'aigua com a donador a) Sintetitzar ATP directament b) Actuar com a antioxidants protectors c) Fixar carboni inorgànic d) Fins a 1200 nm a) Fins a 700 nm b) Fins a 800 nm c) Fins a 600 nm d) Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 19 4 Diversitat metabòlica, elements biogènics i extremòfils EN ACABAR SABRÀS Distingir els estats d'oxidació i la funció dels sis bioelements essencials.

Clasificar qualsevol organisme metabòlicament segons energia, electrons i carboni. Descriure l'ordre d'aparició evolutiva de les principals rutes metabòliques. Identificar els grups extremòfils i les condicions ambientals límit on habiten. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 31 Per què els bacteris presenten molta més variabilitat metabòlica que els animals o les plantes? Els sis bioelements primordials i la seva química ambiental La matèria viva depèn d'un conjunt molt reduït d'àtoms. Només sis elements químics (C, N, P, S, O, H) integren el 95% de la biomassa de la biosfera.

La seva capacitat d'enllaç i la diversitat dels seus estats d'oxidació permeten als organismes generar i transformar multitud de substrats per obtenir matèria i energia. Carboni (C): Element estructural clau gràcies a la seva versatilitat. Té una disponibilitat molt elevada i pot establir enllaços covalents simples, dobles o triples per constituir estructures moleculars complexes i estables. Els seus enllaços també poden ser làbils (fàcilment degradables mitjançant combustió o oxidació) i forma compostos solubles en aigua. El carboni presenta 5 estats d'oxidació biològicament rellevants, fet que facilita la seva reactivitat metabòlica.

Nitrogen (N): Present en els grups amino ( ) d'aminoàcids i proteïnes, i a les bases nitrogenades dels àcids nucleics (adenina, timina, citosina, guanina i uracil). És una molècula altament activa que presenta 7 estats d'oxidació. Fòsfor (P): Molt reactiu, per la qual cosa mai no es troba en estat elemental pur a la natura. Té 3 estats d'oxidació possibles. Exerceix un paper estructural central unint les bases genètiques de l'ADN i l'ARN, confereix rigidesa als ossos en forma de fosfat càlcic i actua com a unitat bàsica de transferència energètica celular (ATP i ADP).

Sofre (S): Apareix a la natura com a sofre elemental, sulfurs minerals, sulfats ( ), sulfur d'hidrogen gasós ( ) i en compostos orgànics de combustibles. Compta amb 5 estats d'oxidació, actua com a donador o acceptor d'electrons i és imprescindible en aminoàcids estructurals de les proteïnes. Oxigen (O) i Hidrogen (H): Formen la base de l'aigua cel·lular, medien les reaccions redox i participen en la configuració de grups funcionals orgànics i gradients protònics. La distribució i l'estabilitat química d'aquests bioelements en el medi depenen directament de dues variables fisicoquímiques: el potencial redox oxidatiu (pe) i el grau d'acidesa (pH).

NH 2 SO 4 2 H S 2 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 20 Diagrama pe-pH que mostra les formes químiques i estats redox dels elements. Segons el quadrant ambiental resultant d'aquestes dues forces, els elements adopten configuracions contraposades: Condició ambiental Estat químic dels elements Compostos característics Oxidant i àcid ( , pH baix) Oxidats i protonats , Oxidant i bàsic ( , pH alt) Oxidats i desprotonats , Reductor i àcid ( , pH baix) Reduïts i protonats , Reductor i bàsic ( , pH alt) Reduïts i desprotonats , COMPROVA-HO 32 Quina forma adopta l'ió nitrogenat en un entorn altament oxidant i amb un pH bàsic?

Classificació metabòlica multidimensional La disponibilitat dels bioelements i les fonts d'energia han impulsat una enorme diversificació evolutiva en bacteris i arqueus. Els eucariotes presenten rutes metabòliques molt restringides, mentre que el món procariota desplega totes les combinacions possibles entre fluxos energètics i fluxos de matèria. Per definir amb precisió qualsevol metabolisme s'avaluen quatre criteris fonamentals: pe > 0 H SO 2 4 HNO 3 pe > 0 SO 4 2 NO 3 pe < 0 H S 2 NH 4 + pe < 0 S2 N 2 Font primària d'energia: Necessària per sintetitzar ATP en processos de biosíntesi anabòlica.

Si l'energia prové de la radiació electromagnètica es tracta de fototrofisme; si deriva de reaccions redox de compostos químics s'anomena quimiotrofisme. 1 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 21 Taula de classificació combinatòria dels tipus metabòlics segons energia, electrons i carboni. La matriu resultant agrupa els metabolismes segons el signe de la seva variació d'energia lliure estàndard ( ).

En els processos fotòtrofs cal un aport d'energia exterior per sintetitzar matèria ( ), mentre que les rutes quimiòtrofes oxiden substrats alliberant energia neta ( ): Energia ( ) Donador Font de C Denominació metabòlica Exemples biològics Llum ( ) Orgànica Orgànica Fotoorganoheteròtrof Procariotes bacterians fotosintètics Llum ( ) Orgànica Inorgànica Fotoorganoautòtrof Bacteris especialitzats Font reductora (donador d'electrons): Molècules inicials que cedeixen electrons a la cadena respiratòria o als processos fotosintètics. Quan els donadors són inorgànics ( , , , ) es parla de litotrofisme; si són molècules orgàniques (com sucres o àcids orgànics) s'anomena organotrofisme.

2 H O 2 H S 2 H 2 Fe2+ Font de carboni: Substrat emprat per al creixement i la formació d'estructures cel·lulars. Els organismes que fixen carboni inorgànic ( ) són autòtrofs, els que incorporen carboni orgànic són heteròtrofs, i aquells capaços de combinar ambdues estratègies segons el medi s'anomenen mixòtrofs. 3 CO 2 Acceptor final d'electrons: Clau en la respiració cel·lular. Quan l'acceptor és l'oxigen molecular ( ) la respiració és aeròbica. Quan s'utilitzen compostos inorgànics alternatius ( , , ) o orgànics, el procés és una respiració anaeròbica.

4 O 2 NO 3 SO 4 2 CO 2 ΔG ΔG > 0 ΔG < 0 ΔG e ΔG > 0 ΔG > 0 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 22 Energia ( ) Donador Font de C Denominació metabòlica Exemples biològics Llum ( ) Inorgànica Orgànica Fotolitoheteròtrof Halobacter, Heliobacter Llum ( ) Inorgànica Inorgànica Fotolitoautòtrof Cianobacteris, algues, plantes Química ( ) Inorgànica Inorgànica Quimiolitoautòtrof Bacteris de respiració inorgànica Química ( ) Inorgànica Orgànica Quimiolitoheteròtrof Bacteris del sofre o ferro Química ( ) Orgànica Orgànica Quimioorganoheteròtrof Animals, fongs, bacteris heteròtrofs Química ( ) Orgànica Inorgànica Quimioorganoautòtrof Bacteris molt rars/específics CONCATENACIÓ METABÒLICA Aquest concepte descriu l'acoblament ecològic i tròfic entre poblacions microbianes on els residus o subproductes metabòlics d'un organisme serveixen de substrat o nutrient immediat per a un altre.

Això optimitza l'aprofitament de l'energia química lliure i assegura el reciclatge continu de la matèria a la biosfera. ERROR FREQÜENT Confondre la font reductora (donador d'electrons) amb la font de carboni. Un bacteri pot ser organòtrof perquè agafa electrons de molècules orgàniques i simultàniament ser autòtrof si incorpora el carboni cel·lular fixant directament mineral. Cal assignar cadascun dels quatre termes de manera independent.

ΔG e ΔG > 0 ΔG > 0 ΔG < 0 ΔG < 0 ΔG < 0 ΔG < 0 CO 2 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 23 ESQUEMA Criteris de classificació metabòlica COMPROVA-HO 33 Quina és la diferència funcional exacta entre un bacteri fotolitoautòtrof i un quimiolitoautòtrof?

Cronologia evolutiva dels metabolismes La seqüència històrica amb què van aparèixer aquestes vies energètiques a la Terra primitiva reflecteix l'estat redox del planeta i la gradual transformació atmosfèrica causada per la mateixa activitat biològica: Organismes extremòfils: tipologies i adaptacions Els extremòfils són microorganismes (pertanyents als dominis Bacteria, Archaea i fins i tot a grups particulars d'Eukaryota) que sobreviuen i proliferen de forma òptima en ambients físics o químics letals per a la majoria d'éssers vius.

La pressió selectiva d'aquests entorns ha configurat adaptacions Font d'energia Fotòtrofs (llum) o quimiòtrofs (química) Donador d'electrons Litòtrofs (inorgànic) o organòtrofs (orgànic) Font de carboni Autòtrofs (CO ) o heteròtrofs (orgànic) Acceptor d'electrons Oxigen (aeròbic) o altres (anaeròbic) Fermentadors anaeròbics i metanògens ( ): Vies primordials sorgides en una biosfera totalment anòxica. Oxiden molècules orgàniques sense cadena respiratòria o combinen compostos simples alliberant metà ( ). 1 ΔG < 0 CH 4 Fotosíntesi anoxigènica ( ): Captació primerenca de llum que empra donadors d'electrons diferents de l'aigua (com l' ), sense produir mai oxigen molecular com a subproducte.

2 ΔG > 0 H S 2 Respiració anaeròbica ( ): Oxidació de matèria mitjançant cadenes de transport d'electrons amb acceptors finals diferents de l'oxigen (nitrats, sulfats). 3 ΔG < 0 Fotosíntesi oxigènica ( ): Innovació bioquímica radical que empra l' com a font d'electrons i allibera com a residu, canviant per complet l'atmosfera terrestre. 4 ΔG > 0 H O 2 O 2 Respiració aeròbica ( ): Desenvolupament afavorit per l'acumulació d'oxigen ambiental; és la via catabòlica més energètica i eficient per oxidar completament la matèria orgànica utilitzant l' com a acceptor terminal. 5 ΔG < 0 O 2 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 24 cel·lulars altament especialitzades.

Els entorns hostils inclouen medis àcids o alcalins, temperatures extremes fredes o calentes, salinitats extremes, altes pressions, exposició intensa a radiacions, absència total d'aigua o oxigen, i zones degradades per metalls pesants o desequilibris de nutrients.

Grup d'extremòfils Condició ambiental límit Adaptació o tret cel·lular Acidòfils Medis àcids (valors de pH molt baixos) Bombes actives de protons i membranes impermeables als ions Alcalòfils Medis bàsics (valors de pH molt alts) Sistemes de transport d'antiport de protons per mantenir l'estabilitat interna Anaerobis Absència d'oxigen molecular ( ) Enzims i cadenes de transport lliures de la necessitat d'oxigen Oligòtrofs Entorns amb nutrients extremadament limitats Taxes metabòliques lentes i transportadors de membrana d'alta afinitat Piezòfils (o baròfils) Pressió hidrostàtica o litostàtica colossal Membranes amb àcids grassos insaturats per preservar la fluïdesa sota pressió Termòfils / Criòfils Extremadament calents o extremadament freds Proteïnes termoestables en calor o enzims d'alta flexibilitat i anticongelants en fred Hipertermòfils Temperatures superiors als 80 °C Monocapes lipídiques i xaperones que impedeixen la desnaturalització tèrmica Toxicolerants Contaminació antropogènica o metalls pesants Bombes d'expulsió de tòxics i quelació enzimàtica interna Xeròfils Dessecació extrema i absència d'aigua Suma de soluts compatibles per mantenir la hidratació del citoplasma Halòfils Condicions hipersalines (altes concentracions de sal) Acumulació interna massiva d'osmòlits o ions per evitar la lisi osmòtica Radiòfils Dosi elevada de radiació ionitzant o UV Mecanismes d'extraordinària rapidesa i eficiència en la reparació de l'ADN Endòlits Interior dels porus de roques i fissures litològiques Aprofitament metabòlic de la humitat residual i l'energia mineral en roca viva COMPROVA-HO 34 Quina resposta cel·lular permet als radiòfils sobreviure en presència de radiacions ionitzants massives?

H+ O 2 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 25 IDEES CLAU Sis elements (C, N, P, S, O, H) constitueixen el 95% de la biomassa i presenten una elevada diversitat d'estats d'oxidació (destaquen 5 estats en el C i 7 en el N). La combinació del potencial redox (pe) i el pH determina l'estat d'oxidació i protonació de les molècules al medi. Els metabolismes es classifiquen en funció de la font d'energia, la font donadora d'electrons, la font de carboni i l'acceptor terminal d'electrons. La concatenació metabòlica és l'aprofitament cooperatiu dels residus d'una via com a nutrients d'una altra, garantint el reciclatge eficient de la matèria.

La història biològica de la Terra mostra una transició de vies anaeròbiques i fermentatives primitives cap a la fotosíntesi oxigènica i la respiració aeròbica. Els extremòfils desenvolupen adaptacions biomoleculars per colonitzar hàbitats de temperatura, pH, radiació, salinitat i pressió extrems. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 35. Quins són els 4 eixos que defineixen la classificació d'un metabolisme procariota? 36. Per què la fotosíntesi requereix una variació d'energia de Gibbs positiva (ΔG > 0)? 37. Com es classifiquen els extremòfils adaptats a la vida sota una pressió colossal o a l'interior de la roca? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 38.

Quin percentatge de la biomassa global està constituït pels sis bioelements principals? 39. Com s'anomena un organisme que empra llum, electrons d'un compost inorgànic i carboni orgànic? 40. Quin d'aquests metabolismes va sorgir més tardanament a la història de la Terra? 41. Quin grup d'extremòfils suporta concentracions de sals summament altes?

Un 95% a) Un 75% b) Un 99% c) Un 50% d) Fotolitoautòtrof a) Quimiolitoheteròtrof b) Fotoorganoheteròtrof c) Fotolitoheteròtrof d) Respiració aeròbica a) Metanogènesi anaeròbica b) Fotosíntesi anoxigènica c) Fotosíntesi oxigènica d) Alcalòfils a) Halòfils b) Piezòfils c) Endòlits d) Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 26 5 Dinàmica dels cicles biogeoquímics i cicle global del carboni EN ACABAR SABRÀS Calcular el temps de residència i la taxa de renovació d'un reservori en estat estacionari. Distinguir les fraccions de preservació orgànica marina en la columna d'aigua i als sediments.

Explicar el mecanisme de retroalimentació negativa del cicle carbonat-silicat en la regulació climàtica. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 42 Com pot ser que la Terra hagi mantingut temperatures compatibles amb la vida durant centenars de milions d'anys malgrat l'activitat volcànica continuada? Conceptes fonamentals dels cicles biogeoquímics Un cicle biogeoquímic descriu el recorregut i la transformació cíclica d'un element químic o molècula a través de les diferents esferes del Sistema Terra (atmosfera, biosfera, hidrosfera i litosfera). Aquest reciclatge continu evita l'esgotament dels nutrients essencials a la superfície del planeta.

Per quantificar el comportament d'aquests circuits es defineixen tres paràmetres clau: Reservori: magatzem temporal d'una substància. La quantitat d'element present depèn directament del balanç entre les taxes d'entrada i de sortida. Si ambdues taxes coincideixen, el reservori roman en estat estacionari. Temps de residència ( ): temps mitjà que un àtom o molècula roman confinat dins d'un reservori en règim estacionari. Es calcula dividint la massa total del reservori pel flux d'entrada (o de sortida). Taxa de renovació ( ): freqüència amb què el contingut sencer del reservori es reemplaça per unitat de temps. Correspon a la inversa del temps de residència.

DEFINICIÓ En condicions d'estat estacionari, el temps de residència i la taxa de renovació es formalitzen mitjançant: t TR t = i TR = Taxa d'entrada (o sortida) Massa del reservori t 1 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 27 EXEMPLE Considerem el reservori de atmosfèric, amb una càrrega de 760 Gt C. Si el flux d'entrada per respiració i descomposició és de 60 Gt C/any i el flux fotosintètic de sortida és idèntic (60 Gt C/any): Això indica que el carboni atmosfèric es renova completament aproximadament un cop cada dotze anys i mig.

A escala planetària, els fluxos de transferència solen ser inversament proporcionals a la magnitud dels reservoris: els compartiments petits s'intercanvien a gran velocitat, mentre que els macroreservoris geològics operen en escales de milions d'anys. Diagrama dels reservoris globals de carboni expressats en gigatones.

Esfera Compartiment / Forma de carboni Massa estimada (Gt C) Atmosfera Metà atmosfèric ( ) 10 Biosfera Biomassa viva 610 Atmosfera Diòxid de carboni ( ) 760 Hidrosfera dissolt 740 Hidrosfera Ió carbonat ( ) 1.300 Litosfera / Sòl Carboni orgànic en sòls i sediments 1.600 CO 2 t = 60 Gt C/any 760 Gt C 12,7 anys TR = 12,7 anys 1 0,078 any 1 CH 4 CO 2 CO 2 CO 3 2 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 28 Esfera Compartiment / Forma de carboni Massa estimada (Gt C) Litosfera Combustibles fòssils 4.200 Hidrosfera Ió bicarbonat ( ) 37.000 Litosfera Carboni orgànic en roques sedimentàries 10.000.000 Litosfera Roques sedimentàries calcàries 40.000.000 COMPROVA-HO 43 Per què un reservori massiu com les roques calcàries presenta un temps de residència molt més llarg que l'atmosfera?

Cicle del carboni orgànic: dinamismes curt, mitjà i sedimentari El circuit del carboni orgànic s'estructura en diferents escales temporals depenent dels processos biològics i físics implicats: 1. Cicle curt (atmosfera-biosfera) A la biosfera terrestre, les plantes incorporen el mitjançant les estomes folials durant la fotosíntesi. Aquest carboni s'integra com a teixit vegetal i viatja a través de les xarxes tròfiques, tornant ràpidament a l'atmosfera per respiració cel·lular. Una altra fracció cau en forma de fullaraca i roman al sòl una mitjana de 50 anys abans de mineralitzar-se.

El cicle atmosfèric-biosfèric es repeteix unes 500 vegades abans que una fracció de carboni orgànic sigui transferida de manera efectiva cap a la litosfera o a la hidrosfera. Esquema del cicle curt de carboni entre atmosfera, vegetació i sòl. HCO 3 CO 2 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 29 2. Dinàmica hidrosfèrica marina (cicle mitjà) Al mar superficial, el fitoplàncton sintetitza matèria orgànica que nodreix el zooplàncton i els consumidors superiors. La respiració dels heteròtrofs allibera directament a l'aigua, mentre que els residus i cadàvers s'enfonsen. Durant aquesta caiguda per la columna d'aigua, la degradació microbiana consumeix la immensa majoria de la matèria.

Només un 1% arriba al fons marí, i a la interfície sedimentària es continua produint respiració i metanogènesi durant segles. 3. Ruta sedimentària i trànsit cap a la litosfera profunda (cicle llarg) De tot el material que aconsegueix atènyer el fons, només el 0,1% es preserva definitivament als sediments. Aquest residu que no es remineralitza experimenta soterrament continu i litificació, transformant-se en roca sedimentària a grans profunditats o donant lloc a jaciments d'hidrocarburs fòssils. Esquema del trànsit sedimentari i vies de retorn del carboni orgànic. Aquest dipòsit litològic constitueix un volum gegantí: 1 · 10 Gt de carboni orgànic en roques sedimentàries.

El seu ritme de reciclatge natural és lentíssim, amb un temps de residència mitjà de 200 milions d'anys ( ), cosa que equival a una taxa de renovació . El retorn del carboni orgànic des de la litosfera cap a la superfície té lloc per tres vies: CO 2 t = 200 Ma TR = 5 10 anys 9 1 Aixecament tectònic i meteorització oxidativa: l'exposició subaèria de roques sedimentàries provoca la reacció directa del carboni orgànic amb oxigen atmosfèric ( ). 1 O + 2 (CH O) 2 n H O + 2 CO 2 Reciclatge profund i vulcanisme: la subducció i el metamorfisme generen desgasificació magmàtica a través d'arcs volcànics cap a l'atmosfera.

2 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 30 ERROR FREQÜENT No confongueu la fracció que ateny el jaç oceànic amb la que s'immobilitza a la roca. Un 1% de la producció primària arriba al fons marí, però la descomposició bentònica en destrueix el 90%: només el 0,1% s'incorpora definitivament al registre geològic. COMPROVA-HO 44 Quina conseqüència biogeoquímica té l'extracció i combustió de petroli a un ritme de 6 Gt C/any? Cicle del carboni inorgànic i el termòstat planetari El carboni inorgànic es distribueix entre l'atmosfera ( ), la hidrosfera ( ) i la litosfera ( com calcita o aragonita, i dolomites).

A l'escorça, les roques calcàries suposen 40.000.000 Gt C, el reservori més gros del planeta: aproximadament el 75% del diòxid de carboni emès pels volcans al llarg de la història de la Terra ha acabat segrestat en aquestes estructures minerals.

Meteorització química i equilibri marí El contacte de l'aigua de pluja amb el atmosfèric produeix àcid carbònic, un agent meteoritzador clau que ataca tant carbonats com silicats continentals: La meteorització de carbonats dissol calcita prèvia: La meteorització química dels silicats (com el feldespat càlcic) consumeix el doble de carboni atmosfèric: Aquests processos enriqueixen els cursos fluvials en ió bicarbonat ( ), el qual és transportat fins a l'oceà, on s'estableix el sistema tampó carbònic-carbonat.

Al mar, la precipitació de carbonat pot ser abiòtica (en condicions de sobresaturació i salinitat adequades) o biòtica (quan organismes com coralls, foraminífers o mol·luscs construeixen closques i esquelets de calcita): Si la columna d'aigua està saturada en carbonat de calci, les closques s'acumulen i litifiquen en roques calcàries. Si les aigües són sub-saturades (a grans profunditats o amb elevat lliure), el carbonat es redissol. Combustió d'hidrocarburs: la crema antropogènica de petroli, carbó i gas injecta actualment uns 6 Gt C/any a l'atmosfera, accelerant de forma sobtada un procés que geològicament requereix milions d'anys.

3 CO , CO 2 CO aq, H CO , HCO , CO 2 2 3 3 3 2 CaCO 3 CO 2 H O + 2 CO 2 H CO 2 3 CaCO + 3 H O + 2 CO 2 Ca + 2+ 2 HCO 3 CaSiO + 3 H O + 2 2 CO 2 Ca + 2+ SiO + 2 2 HCO 3 HCO 3 Ca + 2+ 2 HCO 3 CaCO + 3 H CO 2 3 CaCO + 3 CO + 2 H O 2 CO 2 Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 31 El cicle carbonat-silicat com a retroacció tèrmica El cicle carbonat-silicat acobla la litosfera, la hidrosfera i l'atmosfera en un bucle de retroacció negativa que actua com a regulador tèrmic a escales superiors al milió d'anys: CICLE Termòstat planetari carbonat-silicat 1. Emissió volcànica: Desgasificació magmàtica de CO cap a l'atmosfera 2.

Escalfament atmosfèric: Intensificació de l'efecte d'hivernacle global 3. Meteorització de silicats: Reacció química que consumeix CO continentalment 4. Precipitació oceànica: Formació i sedimentació de carbonat càlcic marí 5. Refredament i subducció: Disminució tèrmica i reciclatge litològic profund COMPROVA-HO 45 Quina és la diferència neta en el balanç de CO atmosfèric entre la meteorització de carbonats i la de silicats després de la posterior precipitació marina? Les emissions volcàniques desgasifiquen magmàtic provinent de la subducció i metamorfisme de fons oceànics ( ).

1 CO 2 CaCO + 3 SiO 2 CaSiO + 3 CO 2 L'increment de a l'atmosfera potencia l'efecte d'hivernacle i eleva les temperatures superficials globals. 2 CO 2 L'escalfament accelera l'evaporació, les precipitacions i la cinètica de la meteorització química dels silicats continentals. 3 La meteorització retira activament atmosfèric i transfereix i a l'oceà. 4 CO 2 Ca2+ HCO 3 La sedimentació de carbonats immobilitza el carboni a l'escorça, reduint la concentració de gas a l'aire i refredant el clima.

5 1 Emissió volcànica 2 Escalfament atmosfèric 3 Meteorització de silicats 4 Precipitació oceànica 5 Refredament i subducció Apunts de Sistema Terra: Dinàmica, Balanços i Cicles 32 IDEES CLAU El temps de residència ( ) és la relació entre la massa d'un reservori i el seu flux de renovació en estat estacionari; la taxa de renovació n'és la inversa ( ). El carboni orgànic terrestre es recicla unes 500 vegades entre atmosfera i biosfera abans de transferir-se a la litosfera o hidrosfera. A l'oceà només l'1% de la matèria orgànica arriba al fons marí i només el 0,1% es preserva de forma definitiva en sediments profunds.

El reservori de carboni orgànic sedimentari conté 1 · 10 Gt C amb un temps de residència d'uns 200 milions d'anys. Les roques calcàries constitueixen el reservori de carboni més gran de la Terra (40.000.000 Gt C), representant el destí d'aproximadament el 75% del d'origen volcànic. El cicle carbonat-silicat constitueix un bucle de retroalimentació negativa que autoregula la temperatura planetària a escala de milions d'anys. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 46. Calcula el temps de residència del carboni en un reservori de sòls de 1.600 Gt C que rep i allibera un flux constant de 32 Gt C/any. 47. Per quines tres vies principals retorna el carboni orgànic de les roques sedimentàries cap a l'atmosfera?

Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 48. Quin percentatge de la matèria orgànica superficial es preserva definitivament als sediments oceànics? 49. Quin és el temps de residència mitjà del carboni orgànic a les roques sedimentàries? 50. Com respon la meteorització química dels silicats davant d'un augment de temperatura global? t TR = 1/t CO 2 El 0,01% a) L'1% b) El 0,1% c) El 10% d) 200 milions d'anys a) 12,7 anys b) 500 milions d'anys c) 50 anys d) S'accelera i retira més…