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Los elementos del universo

Hay 92 elementos naturales en la Tierra. Algunos están muy bien estudiados, otros no en absoluto: por ejemplo astatina (Bryson 2003). El problema es que algunos elementos son muy raros. Por ejemplo, solo 24,5 gramos de francium ocurren en cualquier momento en toda la corteza terrestre. Sólo alrededor de 30 de los elementos que ocurren naturalmente están muy extendidos en la Tierra, y muy pocos son importantes para la vida (Figura 1). En el sistema solar, estrellas en general, y probablemente el universo en su conjunto, los elementos más abundantes son los elementos más ligeros: más de 75% de hidrógeno (H), 25% de helio (He), alrededor del 1% de todo lo demás. En la categoría «todo lo demás», incluso los elementos numerados son más abundantes que los elementos impares numerados. La abundancia tiende a caer rápidamente con el aumento del número atómico. Sin embargo, el carbono (C), el oxígeno (O), el magnesio (Mg), el silicio (Si) y el hierro (Fe) son anómalos altos en relación con estas tendencias generales, mientras que el litio (Li), el berilio (Be) y el boro (B) son anómalos bajos. En la corteza terrestre el orden de abundancia es O (< 50%), Si (> 20%), Al, Fe, Mg, Ca, Na y K. Estos son todos los tipos de elementos de los que las rocas están hechas en su mayoría. En la Tierra como un todo, debido al núcleo y el manto, Fe, Ni y Mg, se vuelven más comunes, mientras que O, Si, Al siguen siendo los principales constituyentes generales (Tabla 1). En cuanto a la vida, los elementos tienen diferentes funciones (Tabla 2). Hemos evolucionado para utilizar o tolerar los elementos, pero vivimos dentro de estrechos rangos de aceptación. Como regla general, nuestra tolerancia hacia los elementos es directamente proporcional a su abundancia en la corteza terrestre (Bryson 2003).

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Figura 1: Distribución de elementos naturales conocidos o considerados esenciales para la vida en el cuadro periódico. La comprensión de la importancia ecológica de C, N y P es mucho más avanzada que para los otros elementos (redibujado después de Da Silva & Williams 2001)

Tabla 1: La presencia de elementos en% de peso seco de la corteza terrestre, algas verdes y animales (datos de diferentes fuentes) en comparación con lechuga cultivada en un sistema hidropónico, y piensos para peces (Schmautz, datos inéditos). Tenga en cuenta que la frecuencia (y con eso la disponibilidad) de elementos en la corteza terrestre no coincide con la frecuencia en los seres vivos

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Macro- y micronutrientes y su papel en los organismos

Los elementos químicos tienen diferentes roles y están involucrados principalmente en diferentes funciones en un organismo (Tabla 2). Los organismos no requieren todos estos elementos en las mismas cantidades. Algunos elementos se requieren en grandes cantidades, mientras que otros se requieren en cantidades minúsculas. Esto se ilustra muy bien con la fórmula estequiométrica tentativa para un ser humano vivo (Sterner & Elser 2002):

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Esto significa que por cada átomo de cobalto (Co) en nuestro cuerpo, hay 132 millones de átomos de oxígeno (O). Las principales necesidades nutricionales de las plantas y los animales, sin las cuales no pueden completar un ciclo de vida normal, se describen en la Figura 2. Los macronutrientes se requieren en cantidades más grandes. Los micronutrientes se requieren en cantidades minúsculas.

Tabla 2: Funciones primarias y elementos químicos (o iones asociados) implicados en su realización para organismos (modificados a partir de Sterner & Elser 2002). Los elementos con un rol relativamente menor se indican entre paréntesis

Función Elementos Forma química Ejemplos Estructurales (polímeros biológicos y materiales de apoyo) H, O, C, N, P, S, Si, B, F, Ca, (Mg), (Zn) Involucrado en compuestos químicos o compuestos inorgánicos poco solubles moléculas biológicas (proteínas, ADN, grasas, carbohyxdratos) tejidos (músculo, pulmón, hojas...) esqueletos; conchas; dientes tejidos de soporte vegetal (lignina, celulosa) Electroquímica H, Na, K, Cl, HPO 2-, 4 (Mg), (Ca) Iones libres transmisión de mensajes en los nervios señalización celular metabolismo energético Mecánica 2- Ca, HPO4 , (Mg) Intercambio de iones libres con iones ligados Contracción muscular Catalizador (ácido-base) Zn, (Ni), (Fe), (Mn) Complejado con enzimas Digestión (Zn). El zinc oxida el alcohol. Hidrólisis de urea (Ni) Eliminación de PO4 en medios ácidos (Fe, Mn) Catalizador (redox) Fe, Cu, Mn, Mo, Se, (Co), (Ni), (V) Reacciones con O2 (Fe, Cu) fijación de nitrógeno (Mo) reducción de nucleótidos (Co) Co es necesario para la creación de vitamina B12

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Figura 2: Requisitos nutricionales de plantas y animales. Tenga en cuenta que el agua (necesaria por todos los seres vivos) no está incluida en el gráfico. Los animales obtienen sus nutrientes de los alimentos y bebidas. Las plantas, a excepción de las parasitarias y carnívoras, absorben los elementos nutritivos esenciales de su entorno (aire, solución del suelo, solución nutritiva)

*Copyright © Socios del Proyecto Aqu @teach. Aqu @teach es una asociación estratégica Erasmus+ en educación superior (2017-2020) dirigida por la Universidad de Greenwich, en colaboración con la Universidad de Ciencias Aplicadas de Zúrich (Suiza), la Universidad Técnica de Madrid (España), la Universidad de Liubliana y el Centro Biotécnico Naklo (Eslovenia) . *

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