La pedología (del griego: πέδον, pedon , "suelo"; y λόγος, logos , "estudio") es el estudio de los suelos en su entorno natural. [1] Es una de las dos ramas principales de la ciencia del suelo , la otra es la edafología . La pedología se ocupa de la pedogénesis , la morfología del suelo y la clasificación del suelo , mientras que la edafología estudia la forma en que los suelos influyen en las plantas , hongos y otros seres vivos. La rama cuantitativa de la pedología se llama pedometría .
Perfil de suelo en tiza en Seven Sisters Country Park, Inglaterra
Descripción general [ editar ]
El suelo no solo es un soporte para la vegetación, sino que también es la pedosfera , el lugar de numerosas interacciones entre el clima (agua, aire, temperatura), la vida del suelo (microorganismos, plantas, animales) y sus residuos, el material mineral de la roca original y añadida , y su posición en el paisaje. Durante su formación y génesis, el perfil del suelo se profundiza lentamente y desarrolla capas características, llamadas "horizontes", mientras se alcanza un equilibrio en estado estable.
Los usuarios del suelo (como los agrónomos ) mostraron inicialmente poca preocupación en la dinámica del suelo. Lo vieron como un medio cuyas propiedades químicas, físicas y biológicas eran útiles para los servicios de productividad agronómica. [3] Por otro lado, los pedólogos y geólogos no se enfocaron inicialmente en las aplicaciones agronómicas de las características del suelo (propiedades edáficas) sino en su relación con la naturaleza y la historia de los paisajes. Hoy en día, hay una integración de los dos enfoques disciplinarios como parte de las ciencias del paisaje y el medio ambiente.
Los pedólogos ahora también están interesados en las aplicaciones prácticas de una buena comprensión de los procesos de pedogénesis (la evolución y el funcionamiento de los suelos), como interpretar su historia ambiental y predecir las consecuencias de los cambios en el uso de la tierra, mientras que los agrónomos entienden que el suelo cultivado es un medio complejo , a menudo como resultado de varios miles de años de evolución. Entienden que el equilibrio actual es frágil y que solo un conocimiento profundo de su historia hace posible garantizar su uso sostenible .
Conceptos [ editar ]
- La complejidad en la génesis del suelo es más común que la simplicidad.
- Los suelos se encuentran en la interfaz de la atmósfera , la biosfera , la hidrosfera y la litosfera de la Tierra . Por lo tanto, una comprensión profunda de los suelos requiere cierto conocimiento de meteorología , climatología , ecología , biología , hidrología , geomorfología , geología y muchas otras ciencias de la tierra y ciencias naturales .
- Los suelos contemporáneos llevan huellas de procesos pedógenos que estuvieron activos en el pasado, aunque en muchos casos estas huellas son difíciles de observar o cuantificar. Por lo tanto, el conocimiento de paleoecología , paleogeografía , geología glacial y paleoclimatología es importante para el reconocimiento y la comprensión de la génesis del suelo y constituye una base para predecir futuros cambios en el suelo.
- Cinco factores de formación externos importantes ( clima , organismos , alivio , material parental y tiempo ) y varios más pequeños, menos identificables, impulsan los procesos pedogénicos y crean patrones de suelo.
- Características de los suelos y paisajes del suelo, por ejemplo, el número, tamaños, formas y disposiciones de los cuerpos del suelo, cada uno de los cuales se caracteriza en función de los horizontes del suelo , el grado de homogeneidad interna, la pendiente , el aspecto , la posición del paisaje, la edad y otras propiedades y relaciones, se pueden observar y medir.
- Los regímenes bioclimáticos distintivos o las combinaciones de procesos pedogénicos producen suelos distintivos. Por lo tanto, ciertas características morfológicas observables , por ejemplo, la acumulación de arcilla iluvial en horizontes B, son producidas por ciertas combinaciones de procesos pedogénicos que operan durante períodos de tiempo variables.
- Los procesos pedógenos ( formadores del suelo) actúan para crear y destruir el orden ( anisotropía ) dentro de los suelos; Estos procesos pueden proceder simultáneamente. El perfil del suelo resultante refleja el equilibrio de estos procesos, presente y pasado.
- El Principio geológico del Uniformitarianismo se aplica a los suelos, es decir, los procesos pedogénicos activos en los suelos hoy en día han estado operando durante largos períodos de tiempo, desde la aparición de organismos en la superficie terrestre. Sin embargo, estos procesos tienen diversos grados de expresión e intensidad en el espacio y el tiempo.
- Una sucesión de diferentes suelos puede haberse desarrollado, erosionado y / o retrocedido en cualquier sitio en particular, como factores genéticos del suelo y factores del sitio, por ejemplo, vegetación , sedimentación , geomorfología , cambio.
- Hay muy pocos suelos viejos (en un sentido geológico) porque pueden ser destruidos o enterrados por eventos geológicos, o modificados por cambios en el clima en virtud de su posición vulnerable en la superficie de la tierra. Poco del continuo del suelo se remonta más allá del período Terciario y la mayoría de los suelos y superficies terrestres no son más antiguos que la Época del Pleistoceno . Sin embargo, los suelos preservados / litificados ( paleosoles ) son una característica casi omnipresente en entornos terrestres (terrestres) durante la mayor parte del tiempo geológico. Dado que registran evidencia del antiguo cambio climático, presentan una inmensa utilidad para comprender la evolución del clima a lo largo de la historia geológica.
- El conocimiento y la comprensión de la génesis de un suelo es importante en su clasificación y mapeo .
- Sin embargo, los sistemas de clasificación de suelos no pueden basarse por completo en las percepciones de génesis, porque los procesos genéticos rara vez se observan y porque los procesos pedogénicos cambian con el tiempo.
- El conocimiento de la génesis del suelo es imperativo y básico para el uso y manejo del suelo. La influencia humana o el ajuste a los factores y procesos de formación del suelo pueden controlarse y planificarse mejor utilizando el conocimiento sobre la génesis del suelo.
- Los suelos son fábricas de arcilla natural (la arcilla incluye tanto estructuras minerales de arcilla como partículas de menos de 2 µm de diámetro). Las lutitas en todo el mundo son, en gran medida, simplemente arcillas del suelo que se han formado en la pedosfera y se han erosionado y depositado en las cuencas oceánicas, para luego litificarse .
Pedólogos notables [ editar ]
- Olivier de Serres
- Vasily V. Dokuchaev
- Eugene W. Hilgard
- Hans Jenny
- Curtis F. Marbut
- Bernard Palissy
- Francis D. Hole
La biomineralización es el proceso por el cual los organismos vivos producen minerales , [a] a menudo para endurecer o endurecer los tejidos existentes. Dichos tejidos se denominan tejidos mineralizados . Es un fenómeno extremadamente extendido; los seis reinos taxonómicos contienen miembros capaces de formar minerales, y se han identificado más de 60 minerales diferentes en organismos. [2] [3] [4] Los ejemplos incluyen silicatos en algas y diatomeas , carbonatos en invertebrados y fosfatos de calcio y carbonatos en vertebrados. Estos minerales a menudo forman características estructurales como las conchas marinas y el hueso en mamíferos y aves . Los organismos han estado produciendo esqueletos mineralizados durante los últimos 550 millones de años. Los carbonatos de Ca y los fosfatos de Ca son generalmente cristalinos, pero los organismos de sílice (esponjas, diatomeas ...) son siempre minerales no cristalinos. Otros ejemplos incluyen depósitos de cobre , hierro y oro que involucran bacterias. Los minerales biológicamente formados a menudo tienen usos especiales, como sensores magnéticos en bacterias magnetotácticas (Fe 3 O 4), dispositivos de detección de gravedad (CaCO 3 , CaSO 4 , BaSO 4 ) y almacenamiento y movilización de hierro (Fe 2 O 3 • H 2 O en la proteína ferritina ).
En términos de distribución taxonómica, los biominerales más comunes son las sales de fosfato y carbonato de calcio que se usan junto con polímeros orgánicos como el colágeno y la quitina para dar soporte estructural a los huesos y las conchas. [5] Las estructuras de estos materiales biocompuestos están altamente controladas desde el nanómetro hasta el nivel macroscópico, lo que resulta en arquitecturas complejas que proporcionan propiedades multifuncionales. Debido a que este rango de control sobre el crecimiento mineral es deseable para las aplicaciones de ingeniería de materiales, existe un interés significativo en comprender y dilucidar los mecanismos de biomineralización biológicamente controlada.
Roles biológicos [ editar ]
Entre los metazoos , los biominerales compuestos de carbonato de calcio , fosfato de calcio o sílice desempeñan una variedad de funciones, tales como soporte, defensa y alimentación. [9] Está menos claro para qué sirven los biominerales en las bacterias. Una hipótesis es que las células las crean para evitar el entierro por sus propios subproductos metabólicos. Las partículas de óxido de hierro también pueden mejorar su metabolismo. [10]
Biología [ editar ]
Si están presentes en una escala supercelular, los biominerales generalmente son depositados por un órgano dedicado, que a menudo se define muy temprano en el desarrollo embriológico. Este órgano contendrá una matriz orgánica que facilita y dirige la deposición de cristales. [9] La matriz puede ser colágeno, como en los deuterostomas, [9] o estar basada en quitina u otros polisacáridos, como en los moluscos. [11]
Formación de conchas en moluscos [ editar ]
La concha de molusco es un material compuesto biogénico que ha sido objeto de mucho interés en la ciencia de los materiales debido a sus propiedades inusuales y su carácter modelo para la biomineralización. Las conchas de moluscos consisten en 95 a 99% de carbonato de calcio en peso, mientras que un componente orgánico constituye el 1 a 5% restante. El material compuesto resultante tiene una tenacidad a la fractura ≈3,000 veces mayor que la de los cristales mismos. [12]En la biomineralización de la concha de moluscos, las proteínas especializadas son responsables de dirigir la dinámica de nucleación, fase, morfología y crecimiento de los cristales y, en última instancia, le dan a la concha su notable resistencia mecánica. La aplicación de principios biomiméticos aclarados a partir del ensamblaje y la estructura de la concha de moluscos puede ayudar a fabricar nuevos materiales compuestos con propiedades ópticas, electrónicas o estructurales mejoradas. La disposición más descrita en las conchas de moluscos es el nácar - conchas prismáticas, conocidas en grandes conchas como Pinna o la ostra perla ( Pinctada) No solo la estructura de las capas difiere, sino que su mineralogía y composición química también difieren. Ambos contienen componentes orgánicos (proteínas, azúcares y lípidos) y los componentes orgánicos son característicos de la capa y de las especies. [4] Las estructuras y disposiciones de las conchas de moluscos son diversas, pero comparten algunas características: la parte principal de la concha es un carbonato de Ca cristalino (aragonita, calcita), a pesar de que se produce algo de carbonato de Ca amorfo; y a pesar de que reaccionan como cristales, nunca muestran ángulos y facetas. [13] El examen de la estructura interna de las unidades prismáticas, tabletas nacaradas, listones foliados ... muestra gránulos redondeados irregulares.
Producción mineral y degradación en hongos [ editar ]
Los hongos son un grupo diverso de organismos que pertenecen al dominio eucariota . Los estudios sobre sus importantes funciones en los procesos geológicos, "geomicología", han demostrado que los hongos están involucrados en la biomineralización, la biodegradación y las interacciones metal-hongos. [14]
Al estudiar los roles de los hongos en la biomineralización, se ha descubierto que los hongos depositan minerales con la ayuda de una matriz orgánica, como una proteína, que proporciona un sitio de nucleación para el crecimiento de los biominerales. [15] El crecimiento de hongos puede producir un precipitado mineral que contiene cobre, como el carbonato de cobre producido a partir de una mezcla de (NH 4 ) 2 CO 3 y CuCl 2 . [15] La producción del carbonato de cobre se produce en presencia de proteínas producidas y secretadas por los hongos. [15] Estas proteínas fúngicas que se encuentran extracelularmente ayudan en el tamaño y la morfología de los minerales de carbonato.precipitado por los hongos. [15]
Además de precipitar minerales de carbonato, los hongos también pueden precipitar biominerales de fosfato que contienen uranio en presencia de fósforo orgánico que actúa como sustrato para el proceso. [16] Los hongos producen una matriz hifal, también conocida como micelio , que localiza y acumula los minerales de uranio que se han precipitado. [16] Aunque el uranio a menudo se considera tóxico para los organismos vivos, ciertos hongos como Aspergillus niger y Paecilomyces javanicus pueden tolerarlo.
Aunque los minerales pueden ser producidos por hongos, también pueden ser degradados; principalmente por cepas de hongos productoras de ácido oxálico . [17] La producción de ácido oxálico aumenta en presencia de glucosa para tres hongos productores de ácido orgánico: Aspergillus niger , Serpula himantioides y Trametes versicolor . [17] Se ha descubierto que estos hongos corroen los minerales de apatita y galena . [17] La degradación de minerales por hongos se lleva a cabo a través de un proceso conocido como neogénesis. [18] El orden del ácido oxálico de mayor a menor secretado por los hongos estudiados esAspergillus niger , seguido de Serpula himantioides , y finalmente Trametes versicolor . [17] Estas capacidades de ciertos grupos de hongos tienen un gran impacto en la corrosión , un problema costoso para muchas industrias y la economía.
Química [ editar ]
Debido a que el hierro extracelular [19] está fuertemente involucrado en la inducción de la calcificación, [20] [21] su control es esencial en el desarrollo de los depósitos; La proteína ferritina juega un papel importante en el control de la distribución de hierro. [22] El mineral más común presente en la biomineralización es la hidroxiapatita (HA), que es una forma mineral natural de apatita de calcio con la fórmula Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 . Los cristales de hidroxiapatita se encuentran en muchos materiales biológicos, incluidos los huesos, [23] escamas de pescado, [24]y cartílago. [25] Cada material tiene un contenido mineral que corresponde con las propiedades mecánicas requeridas, donde el aumento del contenido de HA generalmente conduce a una mayor rigidez pero a una menor extensibilidad. [26]
Evolución [ editar ]
La primera evidencia de biomineralización data de hace unos 750 millones de años , [27] [28] y los organismos de grado esponja pueden haber formado esqueletos de calcita hace 630 millones de años . [29] Pero en la mayoría de los linajes, la biomineralización se produjo por primera vez en los períodos Cámbrico u Ordovícico . [30] Los organismos utilizaron cualquier forma de carbonato de calcio que fuera más estable en la columna de agua en el momento en que se biomineralizaron, [31] y se quedaron con esa forma por el resto de su historia biológica [32] (pero ver [33 ]para un análisis más detallado). La estabilidad depende de la relación Ca / Mg del agua de mar , que se cree que está controlada principalmente por la tasa de dispersión del fondo marino , aunque los niveles atmosféricos de CO
2 también pueden desempeñar un papel. [31]
2 también pueden desempeñar un papel. [31]
La biomineralización evolucionó varias veces, de forma independiente, [34] y la mayoría de los linajes animales expresaron por primera vez componentes biomineralizados en el período Cámbrico. [35] Muchos de los mismos procesos se usan en linajes no relacionados, lo que sugiere que la maquinaria de biomineralización se ensambló a partir de componentes "existentes" ya utilizados para otros fines en el organismo. [36] Si bien la biomáquina que facilita la biomineralización es compleja, ya que involucra transmisores de señalización, inhibidores y factores de transcripción, muchos elementos de este 'kit de herramientas' se comparten entre filos tan diversos como corales , moluscos y vertebrados . [37] Los componentes compartidos tienden a realizar tareas bastante fundamentales, como designar que las células se utilizarán para crear los minerales, mientras que los genes que controlan aspectos más afinados que se producen más adelante en el proceso de biomineralización, como la alineación precisa y la estructura de los cristales producidos, tienden a evolucionar de manera única en diferentes linajes. [9] [38] Esto sugiere que los organismos precámbricos estaban empleando los mismos elementos, aunque con un propósito diferente, tal vez para evitar la precipitación involuntaria de carbonato de calcio de los océanos proterozoicos sobresaturados . [37] Formas de moco que están involucradas en inducir mineralización en la mayoríaLos linajes metazoos parecen haber desempeñado una función anticalcifatoria en el estado ancestral. [39] Además, ciertas proteínas que originalmente habrían estado involucradas en el mantenimiento de las concentraciones de calcio dentro de las células [40] son homólogas a todos los metazoos, y parecen haber sido cooptadas en la biomineralización después de la divergencia de los linajes de metazoos. [41] Las galaxinas son un ejemplo probable de un gen que fue cooptado de un propósito ancestral diferente para controlar la biomineralización, en este caso 'cambiado' a este propósito en los corales escleractinianos del Triásico ; El papel desempeñado parece ser funcionalmente idéntico al gen de Pearlin no relacionado en los moluscos.[42] La anhidrasa carbónica desempeña un papel en la mineralización en esponjas , así como en metazoos, lo que implica un papel ancestral. [43] Lejos de ser un rasgo raro que evolucionó algunas veces y permaneció estancado, las vías de biomineralización, de hecho, evolucionaron muchas veces y aún hoy evolucionan rápidamente; Incluso dentro de un solo género es posible detectar una gran variación dentro de una sola familia de genes. [38]
La homología de las vías de biomineralización está subrayada por un notable experimento por el cual la capa nacarada de una concha de molusco se implantó en un diente humano , y en lugar de experimentar una respuesta inmune, el nácar de molusco se incorporó a la matriz ósea del huésped. Esto apunta a la exaptación de una vía de biomineralización original.
El ejemplo más antiguo de biomineralización, que data de hace 2 mil millones de años, es la deposición de magnetita , que se observa en algunas bacterias, así como en los dientes de los quitones y los cerebros de los vertebrados; Es posible que esta vía, que desempeñaba un papel magnetosensorial en el ancestro común de todos los bilaterianos , se duplicara y modificara en el Cámbrico para formar la base de las vías de biomineralización a base de calcio. [44] El hierro se almacena muy cerca de los dientes de quitón recubiertos de magnetita, para que los dientes puedan renovarse a medida que se desgastan. No solo existe una marcada similitud entre la magnetitaproceso de deposición y deposición de esmalte en vertebrados, pero algunos vertebrados incluso tienen instalaciones de almacenamiento de hierro comparables cerca de sus dientes. [45]
| Tipo de mineralización | Ejemplos de organismos. |
|---|---|
| Carbonato de calcio ( calcita o aragonita ) | |
| Sílice |
|
| Apatita (carbonato de fosfato) |
|
Astrobiología [ editar ]
Se ha sugerido que los biominerales podrían ser indicadores importantes de la vida extraterrestre y, por lo tanto, podrían desempeñar un papel importante en la búsqueda de vida pasada o presente en Marte . Además, se cree que los componentes orgánicos ( biofirmas ) que a menudo se asocian con biominerales juegan un papel crucial en las reacciones prebióticas y bióticas . [46]
El 24 de enero de 2014, la NASA informó que los estudios actuales de la curiosidad y de la oportunidad vehículos de exploración en el planeta Marte será ahora la búsqueda de evidencia de vida antigua, incluyendo una biosfera basado en autótrofos , quimiotróficas y / o quimiolitoautotróficas microorganismos , así como el agua antigua , incluidos los entornos fluvio-lacustres ( llanuras relacionadas con ríos o lagos antiguos ) que pueden haber sido habitables . [47] [48] [49] [50]La búsqueda de evidencia de habitabilidad , tafonomía (relacionada con fósiles ) y carbono orgánico en el planeta Marte es ahora un objetivo principal de la NASA . [47] [48]
Posibles aplicaciones [ editar ]
Los enfoques más tradicionales para la síntesis de materiales a nanoescala son ineficientes energéticamente, requieren condiciones estrictas (p. Ej., Alta temperatura, presión o pH) y, a menudo, producen subproductos tóxicos. Además, las cantidades producidas son pequeñas, y el material resultante generalmente es irreproducible debido a las dificultades para controlar la aglomeración. [51] Por el contrario, los materiales producidos por organismos tienen propiedades que generalmente superan las de los materiales análogos fabricados sintéticamente con una composición de fase similar. Los materiales biológicos se ensamblan en ambientes acuosos en condiciones suaves utilizando macromoléculas. Las macromoléculas orgánicas recolectan y transportan materias primas y ensamblan estos sustratos en compuestos ordenados de corto y largo alcance con consistencia y uniformidad. El objetivo deLa biomimética es imitar la forma natural de producir minerales como las apatitas . Muchos cristales artificiales requieren temperaturas elevadas y soluciones químicas fuertes, mientras que los organismos han sido capaces de establecer estructuras minerales elaboradas a temperatura ambiente. A menudo, las fases minerales no son puras, sino que están hechas como compuestos que implican una parte orgánica, a menudo proteína , que participa y controla la biomineralización. Estos compuestos a menudo son no solo tan duros como el mineral puro sino también más duros, ya que el microambiente controla la biomineralización.
Contaminantes de uranio en aguas subterráneas [ editar ]
La biomineralización puede usarse para remediar las aguas subterráneas contaminadas con uranio . [52] La biomineralización del uranio implica principalmente la precipitación de minerales de fosfato de uranio asociados con la liberación de fosfato por los microorganismos. Los ligandos con carga negativa en la superficie de las células atraen el ion uranilo cargado positivamente (UO 2 2+ ). Si las concentraciones de fosfato y UO 2 2+ son suficientemente altas, minerales como la autunita (Ca (UO 2 ) 2 (PO 4 ) 2 • 10-12H 2 O) o HUO 2 PO policristalino4 pueden formarse reduciendo así la movilidad de UO 2 2+ . En comparación con la adición directa de fosfato inorgánico al agua subterránea contaminada, la biomineralización tiene la ventaja de que los ligandos producidos por los microbios se enfocarán en los compuestos de uranio más específicamente en lugar de reaccionar activamente con todos los metales acuosos. La estimulación de la actividad de la fosfatasa bacteriana para liberar fosfato en condiciones controladas limita la tasa de hidrólisis bacteriana del organofosfato y la liberación de fosfato al sistema, evitando así la obstrucción de la ubicación de la inyección con minerales de fosfato metálico. [52] La alta concentración de ligandos cerca de la superficie celular también proporciona focos de nucleación para la precipitación, lo que conduce a una mayor eficiencia que la precipitación química.
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