I.E.S. “Flavio Irnitano” – El Saucejo (Sevilla) Departamento de Ciencias Naturales ASIGNATURA: CIENCIAS DE LA TIERRA Y MEDIOAMBIENTALES

Curso 2.013 – 2.014 NIVEL: 2º Bachillerato

SOLUCIONES 1. LA TIERRA Y EL MEDIO AMBIENTE 1. El carácter interdisciplinar es una de las características definitorias de las ciencias de la Tierra. Esto quiere decir que en el desarrollo de este cuerpo de conocimientos participan numerosas disciplinas (científicas y no científicas): la biología, la geología, la ecología, la estadística, la salud ambiental, la química, la física, las matemáticas, la teoría de sistemas, la meteorología, la oceanografía, la medicina, la antropología, la ciencias políticas, la sociología, la psicología, la economía, la geografía, la ordenación del territorio y la filosofía, entre otras. 2. Son numerosas las disciplinas científicas y no científicas que contribuyen al cuerpo de conocimientos de las Ciencias de la Tierra. Como representativas, pueden valer las siguientes: -Biología. Estudia los diferentes seres vivos, su clasificación, fisiología y comportamiento. - Geología. Estudia el planeta Tierra, sus componentes y los distintos subsistemas que lo constituyen. - Ecología. Estudia las relaciones entre los seres vivos y entre estos y el medio en el que se encuentran. - Estadística. Evalúa matemáticamente los resultados que se obtienen, a fin de realizar una interpretación y predicciones de comportamiento. - Salud ambiental. Estudia, desde una óptica química, física y médica, las condiciones ambientales y su repercusión sobre los seres vivos, en especial en los humanos. En buena medida, está relacionada con disciplinas químicas, físicas y biológicas. - Física. En particular la meteorología o física de la atmósfera, que permite estudiar el clima y sus parámetros. - Teoría de sistemas. La aplicación de sus principios y métodos es la clave del estudio de la Tierra como sistema. - Antropología. Estudia las relaciones humanas en los diferentes modelos de sociedades y a través de la historia. Es fundamental para comprender la evolución de las relaciones entre la humanidad y el medio ambiente. 3. Según la Conferencia de las Naciones Unidas que tuvo lugar en Estocolmo (Suecia, 1972), el medio ambiente es el conjunto de componentes físicos, químicos, biológicos y sociales capaces de producir efectos directos o indirectos, en un plazo corto o largo, en los seres vivos y las actividades humanas. 4. Siempre se trata del entorno de alguna entidad, de cualquier tipo y sin limitaciones en sus componentes. 5. Todas las definiciones de medio ambiente coinciden en la concepción antrópica del mismo. Desde la aparición de los homínidos, La naturaleza se encuentra «humanizada», y debe contemplarse desde las dimensiones social y natural. Ya las primeras sociedades humanas produjeron significativas alteraciones del medio ambiente, cazando, deforestando, usando el fuego o construyendo primitivas edificaciones. El ser humano se encuentra integrado en el medio ambiente y, en la actualidad, es el ser vivo con mayor poder para provocar cambios en el planeta, en el resto de los seres vivos y en la humanidad en sí misma. 6. Se puede partir de las semejanzas etimológicas: la raíz de las palabras ecología y economía es la misma: «oikós», casa. Por tanto, se trata del «estudio de la casa» y la «administración de la casa», respectivamente. El mundo actual se encuentra plagado de ejemplos de dicha interacción, como el abuso en el empleo de combustibles fósiles, las consiguientes implicaciones monetarias en la economía mundial y la fuerte acción contaminante de aquéllos sobre la atmósfera. Otros casos llamativos son las restricciones aplicadas a la emisión de gases que incrementan el efecto invernadero (Protocolo de Kyoto) y la oposición a las mismas de los países más desarrollados. En el ámbito más doméstico han de citarse los incendios forestales y los intereses de las empresas constructoras, las políticas de urbanismo y la alteración del litoral, etcétera. 7. El enfoque reduccionista se basa en desarrollar la investigación mediante la descomposición y el análisis de las partes de un todo, buscando lo más y más pequeño. La visión holística pretende estudiar cómo funciona la totalidad de un sistema, partir de la globalidad e integrar de forma simultánea un gran número de variables. El sistema Tierra-Biosfera resulta muy complejo, y, por tanto, la visión holística es el método de estudio más adecuado. No obstante, es fundamental destacar que, en la actualidad, ambos enfoques son complementarios y deben apoyarse mutuamente para obtener la imagen más ajustada a la realidad. 8. La contemplación holística permite identificar en un cuadro formas comprensibles, imágenes presentes. Sin embargo, las pinceladas, las manchas de colores, etc., se aprecian desde la contemplación reduccionista. Para que Página 1 de 7

C.T.M. Curso 2013/2014 Introducción 1: La Tierra y el medio ambiente adquieran sentido es necesario el observador se distancia de ellas. Este hecho especialmente notorio al contemplar un cuadro impresionista. 9. Esta frase hace referencia de modo explícito a la visión holística en el estudio de los sistemas. La contemplación global resulta necesaria para la comprensión de lo que sucede en un sistema. Pero esta no es la única perspectiva: también se revela preciso desmenuzar, estudiar los detalles separados, las partes. Es decir, aplicar la perspectiva reduccionista. La interpretación más correcta de un sistema es aquella que lo contemple desde ambas perspectivas. 10. La mejor comprensión de la estructura y funcionamiento del medio ambiente, dada su complejidad, y como sistema que es, así como su aprovechamiento y conservación, requiere su estudio desde la teoría de sistemas. 11. La afirmación es correcta si tenemos en cuenta que la materia, desde el nivel máximo conocido (el universo), puede ser disgregada hasta el nivel de las partículas subatómicas, límite mínimo del estudio de la física actual. Es decir, cualquier sistema está compuesto por subsistemas menores. 12. La sinergia se define como la integración de elementos que da como resultado algo más grande que la simple suma de aquellos, es decir, cuando dos o más elementos se unen sinérgicamente crean un resultado que aprovecha y maximiza las cualidades de cada uno de dichos elementos. La palabra sinergia proviene del griego, y su traducción literal sería cooperación. Según la Real Academia Española, se refiere a la acción de dos o más causas cuyo efecto es superior a la suma de los efectos individuales. Este término también se emplea en biología, y se refiere al concurso activo y concertado de varios órganos para realizar una función. 13. La consideración de algo como sistema depende del nivel de estudio desde el que se contempla. Por tanto, desde el punto de vista molecular, una canica también es un sistema, ya que se compone de diferentes moléculas organizadas, y estas, a su vez, de átomos, siempre en interacción. Sin embargo, desde una óptica macroscópica, una canica solo constituirá un sistema cuando se encuentre en combinación con otras canicas, por ejemplo, en un juego infantil. 14. Un sistema es homogéneo cuando presenta las mismas propiedades en cualquier punto. Los seres vivos son, por definición, anisótropos, heterogéneos, es decir, se componen de distintas partes o subsistemas que pueden presentar propiedades y funciones diversas. 15. La materia viva y la materia inerte, pese a algunas diferencias en la selección de elementos que las forman (los seres vivos, en concreto, presentan el carbono como elemento mayoritario) están constituidas por los mismos componentes. Las diferencias se encuentran en la organización, en la aparición de unas propiedades nuevas (emergentes), aún desconocidas para la Ciencia, que confieren a la materia viva una enorme complejidad, capacidad de autoorganización, y algo en realidad definitorio de la vida: una entropía negativa. 16. La idea de finalidad es un término netamente humano. En la naturaleza, o, si se prefiere, en el universo, la teleología, es decir, la búsqueda deliberada de unos efectos orientados, no existe. Por tanto, no es correcto aplicarlo a teoría de sistemas. Lo que sí suele suceder es que a ciertas causas siguen ciertos efectos, pero, en cualquier caso, determinados por las leyes básicas de la termodinámica, exista o no predecibilidad en los resultados. 17. El resultado de un sistema en funcionamiento puede ser superior a la suma aritmética de sus partes. Un organismo es algo más que un corazón, unos pulmones, unos intestinos y un cerebro juntos. Algo nuevo se genera cuando las partes de un sistema funcionan de manera acorde, cuando las conexiones y los flujos de materia, información y energía cooperan en un esfuerzo común. Estas ganancias del sistema en relación con las partes aisladas se denominan propiedades emergentes, y en cierto modo son imprevisibles. El mejor ejemplo de emergencia lo representa la compleja mezcla química que se estructuró en el océano primitivo y que conformaría la propiedad más sorprendente: la vida. 18. Las propiedades emergentes son las que aparecen cuando el sistema «puede hacer» más cosas que la suma de las capacidades de sus partes. Estas nuevas propiedades que surgen al actuar de manera sinérgica solo pueden conocerse una vez el sistema ha aparecido, pues siempre resultan inesperadas si el comportamiento del sistema no se conoce de antemano. En el ámbito científico, puede que el mejor ejemplo de propiedad emergente sea la vida: se trata de algo nuevo, inesperado, y mucho más que la suma de todas las partes moleculares, e incluso orgánicas, que forman una célula.

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C.T.M. Curso 2013/2014 Introducción 1: La Tierra y el medio ambiente 19. El funcionamiento global de una célula es mucho más que el funcionamiento de cada uno de sus orgánulos o que la expresión de cada uno de sus genes. Se trata, en realidad, de complejas redes de interacción de materia, información y energía que apenas empezamos a intuir en la actualidad. Pretender explicar una célula desglosándola en sus partes es caer en un reduccionismo un tanto inútil. Sin embargo, para avanzar en la integración holística del sistema celular hay que conocer de forma detallada desde las moléculas hasta los orgánulos. Como en todos los casos, ambas perspectivas han de estar armonizadas. Ninguna de ellas, por separado, resulta suficiente para explicar la realidad. 20. Un modelo es una representación simplificada de la realidad que pretende hacerla más accesible al estudio. Los modelos deben ser sencillos, pero han de mantenerse lo más fieles posible a la realidad. En buena medida se trata de simular la situación real, controlar las variables, mantener algunas constantes y cambiar otras, observar y cuantificar los efectos causados, etcétera. Ejemplos de modelos son las aplicaciones informáticas World-2 y World-3 de Forrester y su aplicación en las predicciones de la Tierra como sistema climático, o las simulaciones cibernéticas de vida. Más sencillos se revelan, por ejemplo, los modelos miniaturizados de estratos para estudiar las deformaciones de los mismos o la resistencia de materiales terrestres, de gran utilidad en predicción de riesgos geológicos o, en química, el modelo cinético molecular para explicar los cambios de estado de la materia. 21. En termodinámica, un sistema es una porción del espacio y su contenido. Ei sistema se denomina cerrado cuando solo se pueden realizar transferencias de energía (una bombilla, un frigorífico, un acuario cerrado y con automantenimiento de oxígeno y nutrientes por la población vegetal, etc.), y abierto cuando puede intercambiar materia y energía (un ser vivo, un centro hospitalario, una charca, etcétera). Los sistemas se consideran aislados cuando no presentan flujos de intercambio con el exterior. Entonces sus límites son impermeables. Cualquier sistema considerado de manera conjunta con su entorno constituye un sistema aislado (el universo completo, el sistema solar, etc.). Los sistemas también pueden clasificarse en homogéneos, cuando presentan las mismas propiedades en cualquier punto (un cristal de sílice, una disolución de cloruro sódico, etc.) y heterogéneos, formados por diferentes fases, o subsistemas homogéneos (los seres vivos, un lago, etcétera). 22. - Sistemas abiertos: un acuario, un bosque, una ciudad. - Sistemas cerrados: un ordenador, una televisión, los ciclos biogeoquímicos. - Sistemas aislados: un acuario dentro de un recipiente cerrado herméticamente y con aislamiento térmico, el sistema solar, el universo. En realidad, cualquier macrosistema puede considerarse aislado. 23. Aunque en sentido estricto todos los ecosistemas reales son abiertos pues, además del inevitable intercambio de energía con el entorno, siempre hay un cierto intercambio de materia, en una aproximación a su estudio se les podría considerar como sistemas cerrados, pues la materia prácticamente se recicla. 24. Desde un punto de vista estricto, todos los subsistemas que contemplemos dentro del sistema Tierra presentan entradas y salidas de materia, energía e información. Un desierto y una planta en una maceta pueden considerarse sistemas abiertos. Ahora bien, desde una perspectiva menos formal, se puede considerar que una televisión solo presenta entradas y salidas de energía, pero no de materia. Un acuario constituye un sistema en el que la luz y el calor, por ejemplo, se encuentran en continuo intercambio, y en el que puede ser necesario suministrar nutrientes adicionales al sistema. 25. A través de sus límites continuos, los sistemas abiertos realizan intercambios de materia, energía e información. Como dependen del medio externo y se ven modificados de forma sustancial por los cambios acontecidos en el mismo, podemos decir que «se adaptan» al exterior. 26. La vida, por definición, no puede ser un sistema en equilibrio: precisamente su esencia consiste en alejarse del equilibrio, en romper el aumento de entropía propia a costa de aumentar la de su entorno. En su totalidad, el sistema Tierra sí podría considerarse un sistema en equilibrio con su entorno. 27. Un ser vivo es un sistema, ya que es el resultado de las interacciones ente sus diferentes componentes. Se trata de un sistema de baja entropía y mantiene el orden a expensas de un aporte de energía externa, aumentando el grado de desorden de su entorno (disipación de calor).

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C.T.M. Curso 2013/2014 Introducción 1: La Tierra y el medio ambiente 28. Cuando un ser vivo no obtiene energía a partir del medio externo, muere: deja de poseer propiedades vivas. Y con la muerte llega el desorden, la entropía. Por ello, tal como afirma Erwin Schrödinger en su libro ¿Qué es la vida?, la lucha contra la entropía es el rasgo más definitorio del sistema vida. La complejidad estructural de la vida se basa en la permanente captación de energía a partir del medio y en la conversión de la misma en orden, es decir, en la disminución de la entropía del sistema vivo. Los seres vivos se autoconstruyen en contra de la entropía, en permanente sumidero de energía del medio, hasta su muerte. 29. Los seres vivos se autoconstruyen consumiendo de manera permanente energía del exterior que invierten en mantener su complejidad. Si la entropía de los seres vivos disminuye, aumenta la entropía del entorno. 30. Relación simple positiva: + Calor Sequía

Relación simple negativa: Incendios

Relaciónes encadenadas positivas: +

Hierba

Relaciónes encadenadas negativas: +

Conejos

Vegetació n

Zorros

Cazadores

-

Zorros

+

Conejos

Relaciones complejas positivas:

Relaciones complejas positivas: + Cultivos Población humana +

Recursos naturales

+ -

Población humana

31. Legislación

-

Furtivismo

+

Biodiversidad

32. Número de individuos

-

Alimentos

+ 33. Agua

+

Vegetación

-

CO2

-

Temperatura

34. a) Uso de combustibles fósiles

+

CO2

+

Absorción de rayos infrarrojos

+

Temperatura media del planeta

b) Se trata de relaciones encadenadas positivas. 35. La retroalimentación negativa (retroinhibición) es una peculiaridad de las relaciones complejas negativas, es decir, aquellas en las que la modificación de una variable en un sentido (aumento o disminución) produce el mismo efecto sobre otra variable, y esta última provoca el efecto contrario sobre la primera. La retroinhibición confiere estabilidad (homeostasis) a los sistemas. 36. La homeostasis es el mantenimiento de las condiciones de equilibrio en un sistema. Se trata de una estabilidad permanente, basada en los mecanismos de autorregulación del propio sistema. Los bucles de retroalimentación negativa (retroinhibición o feed-back) son la clave de la regulación de los sistemas homeostáticos.

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C.T.M. Curso 2013/2014 Introducción 1: La Tierra y el medio ambiente Desde el punto de vista fisiológico, la mayor parte de los mecanismos de los seres vivos son homeostáticos. Por ejemplo, la regulación de los niveles de glucosa en sangre. Después de las comidas, cuando se produce un aumento en la concentración de glucosa en sangre, se dispara la síntesis y secreción de insulina, una hormona que induce la captación de glucosa por las células y, por tanto, rebaja los niveles de la misma en el torrente circulatorio. -

Insulina

Glucosa

+ 37. a) +

Calor

Evaporación

b) Deforestación

+

Pérdida de suelo

+ 38. (+) Polvo atmosférico

(-) Albedo

Temperatura

(-)

Polvo atmosférico

Temperatura

( +) Superficie cubierta por hielo

(+)

(-) Albedo

Temperatura

La primera es una relación negativa o inversa y la segunda es un bucle de retroalimentación positivo. 39. Quizás el mejor ejemplo de retroalimentación negativa sea el de la regulación de las rutas metabólicas por producto final: cuando hay un exceso del producto de una ruta metabólica, este inhibe la actividad de la enzima que cataliza la primera reacción de la ruta y, de esa forma, deja de producirse el compuesto final. Los ejemplos de retroalimentación positiva son menos frecuentes, ya que no conducen a la estabilidad del sistema. Un ejemplo es una de las posibles consecuencias del incremento de las emisiones de CO2: un aumento de las mismas provoca la elevación de la temperatura, esta incrementa la evaporación de las aguas lo que genera una mayor concentración de vapor de agua en la atmósfera, que absorberá el calor y conducirá a una nueva elevación de la temperatura. De esta manera se realimenta positivamente el ciclo de elevación térmica en el sistema. 40. En el caso de la caja negra, el investigador analizaría, respecto a la materia, la entrada de oxígeno, alimento y agua y la salida de dióxido de carbono y vapor de agua. En cuanto a la energía, podría detectarse la salida de calor. Cuando el sistema se contempla desde la perspectiva de una caja blanca, las entradas y salidas serían las mismas, pero el investigador debería prestar atención a los flujos interiores: procesamiento de la materia por el gato, aparición de orina y heces; producción de dióxido de carbono y vapor de agua en la respiración y generación de calor por los procesos metabólicos del felino.

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C.T.M. Curso 2013/2014 41. La Tierra como una caja negra:

Introducción 1: La Tierra y el medio ambiente

La Tierra como una caja blanca:

42. Cuando un sistema es abierto se encuentra en continuo intercambio de materia, energía e información: los flujos de entrada y salida son permanentes y conducen a una situación de equilibrio basado en el dinamismo. 43. Se dice que un sistema es metaestable cuando parece estable, pero su estabilidad solo se mantiene mediante el consumo o la conservación de la energía. La composición de la atmósfera terrestre es un claro ejemplo de metaestabilidad: si la vida tal y como la conocemos actualmente desapareciera, el oxígeno también se esfumaría con bastante rapidez. Por ello, el estudio de la composición de la atmósfera de otros planetas representa un método muy adecuado para buscar signos de vida en ellos. 44. Nuestro planeta en sentido estricto es un sistema abierto (intercambia materia y energía con el exterior) pero, en bastantes estudios se estudia como sistema cerrado por el bajo porcentaje que representan los intercambios de materia con el exterior respecto al total de la masa del planeta. Recibe un flujo de energía constante, la radiación electromagnética solar, y emite al espacio exterior energía, la radiación terrestre infrarroja. Este flujo de energía sostiene al ciclo de materia. 45. El subsistema atmosférico es el más cambiante, el más influyente sobre los demás subsistemas del planeta, y el más sensible a los cambios generados. Por ello, numerosos investigadores han definido la Tierra como un sistema climático. 46. Probablemente, el mejor ejemplo de interrelación entre los subsistemas terrestres geosfera, atmósfera, hidrosfera y biosfera se encuentre en la regulación de la cantidad de CO2. La geosfera emite este gas en algunas erupciones volcánicas, y es un magnífico sumidero del mismo en la formación de rocas carbonatadas. La atmósfera, principal depósito de la forma gaseosa, es la estación de tránsito y de intercambio hacia otros subsistemas. La hidrosfera resulta también un extraordinario almacén de CO2, ya que este reacciona con el H2O y forma ácido carbónico soluble, que luego puede pasar a rocas carbonatadas o bien a los caparazones de muchos seres vivos en forma de carbonato cálcico. Por último, la biosfera puede funcionar como un termostato regulador basado en la cantidad de CO2 y en el aumento de temperatura. Las plantas crecen más cuando el clima es más cálido (es decir, cuando el efecto invernadero es mayor debido a una elevación de los niveles de CO2), y entonces fijan de manera fotosintética más CO2 desde la atmosfera. 47. La atmósfera es uno de los subsistemas de un planeta más sensibles a los cambios y a los impactos. Si se toma como modelo la atmósfera terrestre y su modificación por los seres fotosintéticos (al generar oxígeno como desecho), una estrategia de búsqueda de vida en otros planetas es el análisis espectrométrico de sus atmósferas en busca de anomalías inesperadas. Quizás algunas de ellas puedan estar causadas por la acción «contaminante» de algún tipo de vida. Hace poco, la presencia de metano en algunas zonas de Marte se ha relacionado con la probable presencia de ciertas bacterias metanogénicas capaces de producirlo, aunque podría tener un origen volcánico. 48. La respuesta debe tratar aspectos como: - liberación de agua a partir de emanaciones volcánicas. - concentración de elementos químicos en las aguas procedentes del lavado de las masas continentales y de la disolución y posterior depósito por parte de las aguas que circulan bajo los fondos oceánicos. - modelado de las formas del relieve por parte de la escorrentía por parte de aguas líquidas y solidificadas. - Interacción de ambas (junto con otros componentes) en la formación, evolución y mantenimiento de los suelos…

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C.T.M. Curso 2013/2014 Introducción 1: La Tierra y el medio ambiente 49. Presumiblemente, en las primeras etapas de formación de la hidrosfera, el agua de los mares, a elevada temperatura, no era salada. Más tarde se produjo una progresiva disolución de sales a partir de los materiales de la corteza, y estos se depositaron y acumularon en las cuencas marinas, mientras que el vapor de agua, obviamente sin sales, se evaporaba y volvía a caer sobre la tierra en forma de lluvia. Esta agua de escorrentía dio lugar a los primeros ríos, que continuaron aportando sales de arrastre y disolución a las cuencas oceánicas. El motivo de la ausencia de sales en los ríos se debe, precisamente, a este dinamismo de sus aguas y a la falta de acumulación. 50. La relación de la criosfera con los subsistemas atmósfera e hidrosfera viene determinada por el ciclo del agua. El agua sólida en forma de hielo acumulada en los casquetes polares y glaciares puede permanecer en dicho estado incluso durante millones de años, pero en algún momento se encontró en estado de vapor en la atmósfera y se precipitó en forma de nieve. Con el tiempo, pasará al estado líquido, debido a la fusión de los hielos, y aparecerá de forma transitoria en la hidrosfera más convencional: mares, ríos o aguas subterráneas. 51. Actualmente se considera que las extinciones masivas fueron consecuencia de cambios ambientales bruscos, como ocurriría por efectos derivados del impacto de grandes meteoritos, entre otros. 52. Por ejemplo: - Liberación de O2 a la atmósfera y toma de CO2 de la atmósfera por los organismos fotosintetizadores. - Influencia del clima (temperaturas, precipitaciones, distribución de ambas a lo largo del tiempo) sobre la distribución de las especies. - Papel de la atmósfera como filtrador de radiaciones nocivas o como reguladora de la temperatura, permitiendo la existencia de agua líquida, imprescindible para los seres vivos 53. En el hipotético caso de que la Tierra se acercara al Sol, el efecto más evidente sería una considerable elevación de la temperatura, acompañada de una inmediata evaporación de las aguas, la desaparición de la vida y la pérdida de la atmósfera. Será precisamente la misma situación que se dará cuando el Sol comience a agotar su combustible y se transforme en una gigante roja: la cercanía de la Tierra al Sol vendrá determinada no por movimiento del planeta, sino por el aumento de tamaño de la estrella. Si la Tierra se alejara del Sol, la temperatura comenzaría a disminuir de forma drástica: comenzarían la congelación de las aguas, la expansión de los hielos, los cambios atmosféricos y la desaparición de la vida. Como en el caso anterior, esta situación también se produciría si el Sol se apagase por completo. Sin embargo, no sucederá como hemos descrito aquí, ya que, previamente, el aumento de tamaño de la estrella habrá abrasado nuestro planeta.

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