La geosfera y la biosfera son los dos componentes del Sistema Tierra; la geosfera es el nombre colectivo de la litosfera, la hidrosfera, la criosfera y la atmósfera. Todas las partes del Sistema Tierra interactúan y se interrelacionan a través de los procesos climáticos y del ciclo del agua y los ciclos biogeoquímicos. El Sol es la fuente dominante de toda la energía externa del Sistema Tierra. Diagrama diseñado por James A. Tomberlin, USGS.

En el ciclo del carbono, los átomos de carbono están en constante movimiento, entrando y saliendo de los diferentes componentes de la biosfera y la geosfera. Los átomos de carbono no circulan como átomos individuales, sino que se mueven como parte de compuestos de carbono, algunos pequeños y simples y otros grandes y muy complejos. El ciclo del carbono está estrechamente vinculado a otros ciclos biogeoquímicos -ciclos de otros elementos químicos como el nitrógeno, el fósforo, el azufre y el hierro- que entran y salen de los distintos componentes de la geosfera y la biosfera. . Por ejemplo, muchos compuestos de carbono producidos por organismos vivos contienen átomos de nitrógeno y fósforo.

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El Ciclo Global del Carbono muestra las vías (flechas) de los átomos de carbono de una parte del ciclo del carbono a otra. Las letras moradas se refieren a los lugares donde existen compuestos de carbono y las letras naranjas se refieren a los procesos que hacen que el carbono se mueva a lo largo de las vías.

Considere la imagen del ciclo global del carbono que aparece a la derecha, (haga clic para ampliar la imagen). Cada flecha representa un camino que siguen los átomos de carbono al desplazarse por la geosfera y la biosfera. Algunos de estos compuestos de carbono se mueven rápidamente de una parte del ciclo del carbono a otra, mientras que otros se almacenan durante millones y millones de años. A medida que los compuestos de carbono se desplazan por la geosfera y la biosfera, sufren muchos cambios químicos diferentes. Estos cambios químicos (transformaciones) requieren la ruptura y construcción de enlaces químicos entre los átomos. Algunos de estos cambios químicos parecen poco importantes, pero pueden tener una gran influencia en el ciclo del carbono, el clima y el medio ambiente. Por ejemplo, cuando las plantas convierten el CO2 inorgánico en azúcares orgánicos (C6H12C6), proporcionan alimento a los animales y a otros organismos heterótrofos que no pueden fabricar su propio alimento y, en cambio, obtienen su comida y energía tomando sustancias orgánicas, generalmente materia vegetal o animal; los animales, los protozoos, los hongos y la mayoría de las bacterias son heterótrofos. Cuando las bacterias del suelo descomponen los compuestos de carbono del suelo, liberan dióxido de carbono (CO2) o metano (CO4). Ambos gases son de efecto invernadero y se han relacionado con el cambio climático.

Los científicos predicen que en la actualidad existen más de diez millones de compuestos de carbono diferentes en la Tierra. En esta sección, llevarás a cabo cuatro breves investigaciones para explorar cómo los átomos de carbono pueden unirse con otros tipos de átomos para formar los millones de tipos diferentes de compuestos de carbono que pueden encontrarse en la Geosfera y la Biosfera. Para que empieces a pensar en la capacidad del carbono para formar tantos tipos diferentes de compuestos de carbono, mira este breve videoclip de NPR, It’s All About Carbon: Episode 1.

NOTA: Si el vídeo no se carga, puedes verlo aquí: Episodio 1: Calentamiento global, todo es cuestión de carbono – YouTube También puedes seguir este enlace donde podrás ver otros episodios de esta serie de NPR.

Investigación de laboratorio 1: Pruebas de un cambio químico

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Los corales y otros organismos constructores de conchas, como las almejas, las ostras y las langostas, dependen del carbonato de calcio para construir sus conchas y esqueletos.

En el video que acabas de ver, aprendiste que los átomos de carbono se unen fácil y fuertemente con otros átomos para formar muchos tipos diferentes de compuestos de carbono. En esta investigación, buscarás pruebas de la formación de un nuevo compuesto de carbono cuando se juntan dos compuestos de carbono: el CO2 de tu propia respiración y una solución de hidróxido de calcio Ca(OH)2.

Aquí hay una lista adaptada de Cambio químico – Wikipedia, la enciclopedia libre :

• Cambio de olor ( por ejemplo – olor a azufre cuando se quema un emparejado)
• Cambio de color (por ejemplo – plata a marrón rojizo cuando se oxida el hierro).
• Cambio de temperatura
• Cambio de composición (por ejemplo – el papel se convierte en ceniza cuando se quema)
• Luz y/o calor desprendidos
• Formación de gases, a menudo apareciendo como burbujas en los líquidos
• Formación de un precipitado (partículas sólidas insolubles) que aparecen en la solución
• La descomposición de la materia orgánica (por ejemplo, alimentos en descomposición)
• El cambio es difícil o imposible de revertir

Para la clase:

• Un trozo de tiza
• Vinagre blanco
• Cuentagotas

Para cada grupo:

• Vaso de plástico transparente parcialmente lleno de agua de cal
• Vaso de plástico transparente parcialmente lleno de agua
• Vaso de plástico transparente vacío
• Dos pajitas
• filtro de café pequeño (nº 2)
• agua
• vinagre blanco
• cuentagotas

1. (Demostración de clase) La tiza está hecha de carbonato de calcio (CaCO3). Cuando se añade vinagre a la tiza, se produce una efervescencia que indica que la tiza está hecha de carbonato de calcio. Utilizarás la prueba del vinagre para indicar la presencia de carbonato de calcio.
2. Examina el agua de cal y describe su aspecto. El agua de cal es el nombre común de la solución saturada de hidróxido de calcio, Ca(OH)2 (aq).
3. Coloque una de las pajitas en el agua de cal y sople suavemente en el líquido. NO INHALE NI SOPLE DEMASIADO FUERTE. Continúa exhalando a través de la pajita hasta que se forme un precipitado blanco (sólido). La solución debe tener un aspecto muy lechoso con pequeñas partículas.
4. Coloca el filtro de café sobre la taza vacía. Vierte con cuidado el agua de cal en la taza a través del filtro para separar el precipitado del líquido.
5. Pon el filtro con el precipitado blanco a un lado y deja que se seque y solidifique.
6. Coloca una pajita en una taza de agua normal (en lugar de agua de cal) y sopla suavemente. Observa lo que ocurre. Esto sirve como su control experimental.

Comprobando

Describa cómo el agua de cal y el agua regular reaccionan de manera diferente cuando se añade gas de dióxido de carbono a cada uno.

Cuando se añade CO2 al agua de cal, ésta se vuelve lechosa debido a la producción de un precipitado de carbonato de calcio (CaCO3). El carbonato de calcio es insoluble y precipita (se deposita fuera de la solución): Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) → CaCO3(s) + H2O (l) El agua regular burbujea al añadir el CO2, pero no se forma ningún precipitado.
7. Para demostrar que la sustancia que has filtrado del agua de cal es efectivamente carbonato de calcio, utiliza el cuentagotas para añadir una pequeña cantidad de vinagre blanco al precipitado.

Discute

• Qué pruebas has observado de que se ha formado un nuevo tipo de compuesto de carbono en esta investigación.
• Describa lo que ocurre con los átomos de carbono en el dióxido de carbono (CO2) cuando se sopla CO2 en el agua de cal.
• ¿Por qué esta investigación sirve como modelo para entender el cambio químico como un componente clave del ciclo del carbono.

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Investigación de laboratorio 2: Modelado de la fotosíntesis y la respiración celular

En esta investigación, utilizarás un kit de modelo molecular de “bola y palo” para investigar cómo los dos procesos clave de la biosfera, la fotosíntesis y la respiración celular, crean nuevos compuestos de carbono. Reúne tus materiales y sigue las instrucciones para modelar la fotosíntesis y la respiración celular que aparecen a continuación:

Para cada grupo:

6 moléculas de dióxido de carbono en forma de bola – (6 átomos de carbono, 12 átomos de oxígeno, 24 barras de enlace de electrones)

6 moléculas de agua en forma de bola – (6 átomos de hidrógeno, 12 átomos de oxígeno, 12 barras de enlace de electrones )

La imagen de la derecha ilustra el aspecto de cada una.

• Los átomos de carbono son negros (o grises) y cada uno tiene cuatro “puntas”. Cada punta representa un enlace electrónico entre átomos.
• Los átomos de hidrógeno son blancos. El hidrógeno sólo tiene una punta, por lo que sólo puede hacer un enlace de electrones con otro átomo.
• Los átomos de oxígeno son rojos y tienen dos puntas. Por lo tanto, los átomos de oxígeno pueden hacer dos enlaces de electrones con otros átomos, incluyendo otro átomo de oxígeno.
• Cada palo blanco o gris representa un enlace de electrones entre dos átomos. NOTA: A veces el carbono y el oxígeno pueden formar enlaces dobles.

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Las moléculas de CO2 entran en las plantas a través de las hojas. Las moléculas de H2O entran en las plantas desde las raíces.

Utiliza las seis moléculas de dióxido de carbono y las seis de agua para modelar la fotosíntesis. Aquí está la ecuación química para la fotosíntesis.

6CO2 + 6H2O ==> C6H12O6 + 6O2

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Una molécula de azúcar de glucosa producida por plantas y algas mediante el proceso de fotosíntesis.

1. Comienza separando las moléculas de dióxido de carbono y de agua.

2. Construye tu molécula de glucosa utilizando la imagen de una molécula de glucosa que aparece a la derecha para guiarte. Si haces clic para ampliar la imagen, podrás ver fácilmente cómo se unen los átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno entre sí. NOTA: No desmontes la molécula de glucosa hasta que empieces la Investigación 3:

3. Utiliza los átomos de oxígeno restantes y los enlaces para construir seis moléculas de O2 (O=O). Estas moléculas de gas oxígeno se liberan al aire y proporcionan parte del oxígeno necesario para la vida en la Tierra.

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El proceso de respiración rompe los enlaces químicos de la molécula de glucosa, haciendo que la energía esté disponible para las funciones celulares. Los átomos de la molécula de glucosa también se utilizan para construir la biomasa. Las moléculas de CO2 y O2 producidas en esta reacción salen de la hoja hacia el aire circundante.

4. Examine la ecuación de la respiración celular representada a la derecha. La ecuación química de la respiración celular es:

C6H12O6 + 6O2==> 6CO2 + 6H2O + energía para las funciones celulares

Luego, responde a las preguntas de Comprobación que aparecen a continuación:

Investigación de laboratorio 3: Biosíntesis de nuevas biomoléculas a partir de la glucosa

1. Toma tu molécula de glucosa y júntate con al menos otro equipo.
2. Desmonta las moléculas de glucosa. NOTA: No tienes que desconectar todos los enlaces de los átomos.
3. Usa los átomos y enlaces de ambos equipos para construir una nueva biomolécula compuestos orgánicos de carbono producidos en los seres vivos; los ejemplos incluyen carbohidratos, lípidos(grasa, suelos, ceras) y ADN. . Tu biomolécula puede tener la forma que quieras. La única regla que debes seguir es que ninguna “punta de enlace de electrones” quede sin conectar con otro átomo. Es posible que te sobren algunos átomos y enlaces cuando construyas tu biomolécula. NOTA: Tu profesor puede decidir producirte con átomos de nitrógeno. El uso de estos átomos te permitirá construir moléculas de proteínas.
4. Cuando termines de construir tus nuevas biomoléculas, compáralas con otras biomoléculas hechas por otros equipos.

La biomasa de todos los organismos se compone principalmente de proteínas, carbohidratos, ácidos nucleicos (ADN, ARN) y lípidos (aceites grasas y ceras). La glucosa y otros carbohidratos contienen átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno. Sin embargo, los organismos de la biosfera construyen millones de biomoléculas diferentes que contienen nitrógeno, fósforo y azufre. De hecho, el 97% de un organismo vivo está formado por sólo seis elementos: carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre, o CHNOPS. Otros elementos como el magnesio y el hierro también son importantes, pero en cantidades muy pequeñas. La falta de cualquiera de estos nutrientes del suelo es esencial para el crecimiento de las plantas; los nutrientes del suelo más importantes son el nitrógeno, el fósforo, el magnesio y el azufre. En esta investigación, examinarás varias imágenes Jmol de biomoléculas e identificarás los tipos de elementos(átomos) en cada una.

1. Haz una tabla de tres columnas en tu cuaderno de laboratorio o en una hoja de papel aparte. Ponle a tu tabla los siguientes títulos:

• Columna A = Nombre de la biomolécula (ej. ADN, fructosa, etc.);
• Columna B = Tipo de biomolécula (ej. carbohidrato, proteína, etc.);
• Columna C = Tipos de átomos (elementos). Utilice las primeras letras (C H N O P S Mg I);

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Fructosa, un hidrato de carbono de la fruta. Cuando se come fruta, como las manzanas y las naranjas, se está comiendo fructosa.

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ADN, un ácido nucleico. Al ADN se le llama a menudo el plano de la vida porque contiene las instrucciones genéticas para que los organismos se construyan a sí mismos y lleven a cabo todas sus actividades vitales. Sin el ADN, un organismo no se construye. Esta visualización del ADN sólo representa un segmento muy pequeño de una molécula de ADN completa.

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La celulosa, un hidrato de carbono. Las partes fibrosas y leñosas de las plantas están formadas por moléculas de celulosa unidas en largas cadenas. La naturaleza fibrosa de la celulosa proporciona la estructura para que las plantas se mantengan erguidas. Los árboles tienen aproximadamente entre un 50% y un 53% de celulosa, dependiendo de la especie del árbol.

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Clorofila, una molécula de pigmento verde. Las plantas utilizan este pigmento para absorber la energía del sol para la fotosíntesis. La clorofila es un ejemplo de biomolécula que no pertenece a ningún grupo específico (es decir, carbohidratos, ácidos nucleicos, proteínas, lípidos) ¿Puedes encontrar el átomo de magnesio?

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Citocromo C, una proteína vegetal. Las proteínas son macromoléculas biosintetizadas por todos los organismos vivos y tienen diversas funciones que son fundamentales para la vida. Por ejemplo, el Citocromo c es una proteína que necesitan las plantas y otros organismos para llevar a cabo la respiración celular. ¿Puedes encontrar los átomos de azufre y los dos átomos de hierro en esta molécula de proteína de citocromo?

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Un aminoácido- parte de una proteína. Los organismos construyen proteínas completas a partir de cientos de aminoácidos. La molécula de citocromo c que aparece a la derecha es una proteína completa formada por muchos aminoácidos.

Comprobando

Para y piensa:

1: Explica por qué los átomos de carbono de los compuestos de carbono, como las proteínas y el ADN, proceden originalmente de las moléculas de CO2 de la atmósfera.
2: Explique por qué la falta de nutrientes del suelo (por ejemplo, nitrógeno, fósforo, azufre y magnesio) limita la capacidad de un árbol para crecer y almacenar carbono.
3: Explique cómo los árboles y todos los demás organismos de la biosfera son capaces de fabricar millones de configuraciones diferentes de compuestos de carbono.

Extensiones opcionales

¿Quieres aprender más sobre compuestos de carbono, biomoléculas, CHNOPS, nutrientes del suelo y más? Consulta estos recursos.

• ¡Investiga las últimas investigaciones! Las nuevas investigaciones sobre el ciclo del carbono, el clima y el medio ambiente son constantes. Puedes utilizar ScienceDaily y Phys.org para buscar investigaciones recientes sobre la relación entre el ciclo del carbono y otros ciclos bioquímicos utilizando combinaciones de las siguientes etiquetas: ciclo del carbono, almacenamiento/secuestro de carbono, fertilización con CO2, árboles, bosques, nutrientes del suelo. He aquí un ejemplo: Los nutrientes del suelo limitan la capacidad de las plantas para frenar el cambio climático
• Use MolView para explorar las biomoléculas Jmol fabricadas por muchos tipos diferentes de organismos.