En esta lección
- Video de la lección (próximamente)
- Apuntes de la lección
- Ejemplos resueltos
- Ideas clave
- Alineación con NGSS
Llévatelo
Pregunta esencial
¿Cómo pasa el nitrógeno del aire a formar parte de los seres vivos?
El nitrógeno forma el 78% de cada respiración que haces, y sin embargo tu cuerpo no puede usar nada de él. En esta lección verás por qué los seres vivos necesitan nitrógeno, cómo las bacterias convierten el gas nitrógeno en formas que las plantas pueden usar y cómo el fertilizante puede ayudar a las granjas pero dañar los ríos y los lagos.
Video de la lección próximamente. Mientras tanto, lee la lección que aparece abajo.
Por qué los seres vivos necesitan nitrógeno
- Todos los aminoácidos contienen nitrógeno
- El ADN, el ARN y el ATP contienen nitrógeno
- El fósforo también se necesita para el ADN y el ATP
El nitrógeno es un componente básico de las proteínas y los ácidos nucleicos. Todos los aminoácidos tienen un grupo amino que contiene un átomo de nitrógeno, y las bases del ADN y del ARN son ricas en nitrógeno. El ATP, la molécula que las células usan para obtener energía, contiene nitrógeno y fósforo, y el fósforo también forma parte de la columna vertebral del ADN. Sin suficiente nitrógeno y fósforo, los organismos no pueden construir proteínas ni copiar su ADN.
El gas nitrógeno es difícil de usar
- El aire es cerca de 78% gas nitrógeno (N2)
- Un fuerte triple enlace mantiene unido al N2
- Las plantas y los animales no pueden romperlo
La atmósfera es el reservorio de nitrógeno más grande, pero casi todo es gas N2. Los dos átomos de nitrógeno están unidos por un triple enlace muy fuerte. Las plantas y los animales no pueden romper este enlace, así que no pueden usar directamente el gas nitrógeno. Antes de que el nitrógeno pueda entrar en los seres vivos, tiene que transformarse en otras formas, como el amonio (NH4+) y el nitrato (NO3−).
Fijación de nitrógeno
- Las bacterias convierten el N2 en amonio
- Algunas viven en los nódulos de las raíces de las leguminosas
- Los rayos y las fábricas también fijan nitrógeno
Convertir el N2 en una forma utilizable se llama fijación de nitrógeno. La mayor parte la hacen las bacterias fijadoras de nitrógeno del suelo. Algunas de estas bacterias viven dentro de abultamientos llamados nódulos en las raíces de las leguminosas, como los frijoles, los chícharos y el trébol. La planta les da azúcares a las bacterias, y las bacterias le dan amonio a la planta, una relación que beneficia a ambas. Los rayos fijan una pequeña cantidad de nitrógeno, y las fábricas fijan nitrógeno para producir fertilizante.
Las bacterias mantienen el nitrógeno en circulación
- Nitrificación: amonio → nitrito → nitrato
- Las plantas absorben nitrato y construyen proteínas
- Los descomponedores regresan el nitrógeno como amonio
- La desnitrificación regresa el N2 al aire
Después de la fijación, las bacterias nitrificantes del suelo transforman el amonio en nitrito y luego en nitrato, la forma que la mayoría de las plantas absorbe por las raíces. Las plantas usan el nitrógeno para construir aminoácidos y ácidos nucleicos, y los animales obtienen nitrógeno al comer plantas u otros animales. Cuando los organismos mueren o producen desechos, los descomponedores los descomponen y liberan amonio de nuevo al suelo. Por último, las bacterias desnitrificantes de los suelos húmedos y con poco oxígeno convierten el nitrato otra vez en gas N2, con lo que se completa el ciclo.
Fertilizante y contaminación del agua
- Los agricultores agregan fertilizante de nitrógeno para aumentar las cosechas
- El nitrato sobrante es arrastrado a los arroyos
- Las algas proliferan, mueren y se descomponen
- Los descomponedores agotan el oxígeno: zonas muertas
El nitrógeno suele ser el nutriente que limita el crecimiento de los cultivos, así que los agricultores agregan fertilizante. Las gráficas muestran datos de ejemplo de un campo de maíz. El rendimiento sube rápido al principio y luego se estabiliza, pero el nitrato que se pierde del suelo sigue aumentando. Ese nitrato extra fluye a los ríos y lagos, donde alimenta enormes proliferaciones de algas. Cuando las algas mueren, los descomponedores las descomponen y agotan el oxígeno disuelto, lo que crea zonas muertas con poco oxígeno donde los peces no pueden sobrevivir. Este proceso se llama eutrofización.
Ejemplos resueltos
Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.
Ejemplo 1: Del aire a tus músculos
Sigue un átomo de nitrógeno desde el N2 del aire hasta una proteína de tu músculo. Nombra cada proceso y los organismos que lo realizan.
Mostrar la solución
- Fijación de nitrógeno: las bacterias del suelo o de los nódulos de las raíces convierten el N2 en amonio (NH4+).
- Nitrificación: las bacterias nitrificantes convierten el amonio en nitrato (NO3−).
- Absorción: una planta, como el maíz, absorbe el nitrato por las raíces y construye aminoácidos y proteínas.
- Alimentación: tú comes el maíz, digieres sus proteínas hasta aminoácidos y los usas para construir tus propias proteínas musculares.
- Respuesta: N2 → fijación de nitrógeno (bacterias) → nitrificación (bacterias) → absorbido por una planta → comido por ti.
Ejemplo 2: ¿Cuánto fertilizante?
Un agricultor está eligiendo entre 150 y 250 lb de fertilizante de nitrógeno por acre. Usa los datos para comparar el maíz extra con el nitrato extra que se pierde. ¿Qué cantidad recomendarías? Apoya tu afirmación.
| Fertilizante (lb/acre) | Rendimiento de maíz (bushels/acre) | Nitrato arrastrado (lb/acre) |
|---|---|---|
| 0 | 90 | 10 |
| 50 | 140 | 12 |
| 100 | 170 | 16 |
| 150 | 182 | 25 |
| 200 | 186 | 40 |
| 250 | 187 | 60 |
Mostrar la solución
- Maíz extra: 187 − 182 = 5 bushels por acre, menos de 3% más
- Nitrato extra perdido: 60 − 25 = 35 lb por acre, 2.4 veces más
- Afirmación: usar cerca de 150 lb por acre.
- Razonamiento: por encima de 150 lb, el maíz ya está cerca de su límite, así que la mayor parte del nitrógeno extra se lava hacia los arroyos, donde puede causar proliferaciones de algas. Además le cuesta dinero al agricultor.
- Respuesta: Cerca de 150 lb por acre: con 250 lb solo se agregan 5 bushels, pero se pierden 35 lb más de nitrato.
Ejemplo 3: Oxígeno río abajo de las granjas
Unos estudiantes analizan un río en tres sitios. El sitio C tiene menos nitrato que el sitio B, pero mucho menos oxígeno disuelto. Explica este patrón.
Mostrar la solución
- De A a B: el nitrato salta de 0.5 a 6.0 mg/L cuando el escurrimiento de fertilizante de las granjas entra al río.
- De B a C: las algas usan el nitrato para crecer, así que el nitrato baja a 4.0 mg/L.
- Oxígeno: cuando las algas mueren, los descomponedores las descomponen y agotan el oxígeno, así que el oxígeno disuelto baja de 8.5 a 3.0 mg/L. Muchos peces necesitan al menos cerca de 5 mg/L.
- Respuesta: El nitrato alimentó una proliferación de algas, y las algas en descomposición agotaron el oxígeno río abajo.
Práctica
Nombra los procesos de un modelo del ciclo del nitrógeno, explica datos de crecimiento de plantas, usa datos de fertilizante para hacer una recomendación y explica cómo el escurrimiento puede matar peces. Inténtalo primero por tu cuenta y luego revisa tu trabajo con la clave de respuestas.
- Hoja de práctica: El ciclo del nitrógeno (PDF) (en inglés)
- Clave de respuestas: El ciclo del nitrógeno (PDF) (en inglés)
Diapositivas de la lección
Ideas clave
- Las proteínas, el ADN y el ATP necesitan nitrógeno
- El gas N2 debe fijarse antes de que la vida pueda usarlo
- Las bacterias fijan, nitrifican, descomponen y desnitrifican
- El exceso de fertilizante causa proliferaciones de algas y zonas muertas
De vuelta a la pregunta esencial: el gas nitrógeno entra en los seres vivos solo después de que las bacterias (o los rayos y las fábricas) lo fijan como amonio. Otras bacterias convierten el amonio en nitrato, que las plantas absorben y usan para construir proteínas y ADN. Los animales obtienen nitrógeno al comer, y los descomponedores y las bacterias desnitrificantes lo regresan al suelo y al aire. A continuación, pasarás de la materia a la energía y verás cómo se mueve por las cadenas y las redes alimenticias.
Alineación con NGSS
Esta lección avanza hacia estas expectativas de desempeño de los Estándares de Ciencias de Nueva Generación (NGSS):
- HS-LS1-6: Construir y revisar una explicación, basada en evidencia, de cómo el carbono, el hidrógeno y el oxígeno de las moléculas de azúcar pueden combinarse con otros elementos para formar aminoácidos y otras moléculas grandes a base de carbono.
- HS-LS2-3: Construir y revisar una explicación, basada en evidencia, del ciclo de la materia y el flujo de energía en condiciones aeróbicas y anaeróbicas.
Ideas disciplinarias básicas: LS1.C Organización del flujo de materia y energía en los organismos; LS2.B Ciclos de la materia y transferencia de energía en los ecosistemas