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Recursivos Educativos: Lección 4 Lecciónes: Contents Lección 1: El Ciclo hidrologico y el concepto de cuenca Lección 4: Estudiantes como Científicos (o estudiantes como detectives) Objetivo
Introducción al proceso de investigación científica Los participantes del programa Adopte una Quebrada, han colectado datos de la Quebrada Grande por dos años. Mientras los datos de colecta son uno de los aspectos más importantes de la ciencia para la gente, y tal vez el más obvio, es solo parte del proceso científico. Para los científicos, uno de los aspectos más interesantes de la ciencia es analizar e interpretar los datos colectados. Puede ser que los datos respondan algunas preguntas o puede crear nuevas interrogantes. Las preguntas con las que inició el programa Adopte una Quebrada incluyen, "¿Cuáles son los niveles normales de fósforo, nitrógeno, oxígeno disuelto, y otros parámetros en la Quebrada Grande?" Durante el periodo de 1995-1996 se colectaron datos, dando a los estudiantes la oportunidad de buscar patrones y hacer preguntas. ¿Hay ocaciones en las que se observan niveles altos de nutrientes? ¿Qué tanto cambia la temperatura? ¿Cuáles pueden ser las causas de los patrones? Con dos años de datos, podríamos no observar un patrón claro, pero podemos empezar a formar hipótesis que podríamos poner a prueba. La recolección de datos de la quebrada podría ayudar a responder algunas preguntas en el futuro. Por ejemplo, los científicos alrededor del mundo no saben porque la población de sábalos está decreciendo. La información que los estudiantes están colectando podría ayudar a explicar los cambios que están ocurriendo con la población de sábalos. La siguiente sección tiene antecedentes que servirán a los educadores, con los puntos importantes demarcados. Al registrar los datos, usamos unidades para todos los conceptos menos para el pH. La temperatura es medida en grados Celsius, esto es algo con lo que podemos relacionarnos porque podemos detectar nosotros mismos cambios en el ambiente. Sin embargo, podría tomar varios ejemplos para familiarizarse con la idea de partes por millón (lo que es igual a mg/L) a los estudiantes, y como cantidades muy pequeñas de una sustancia pueden encontrarse y aún así representar una parte muy significativa en el impacto ecológico. W.B. Deichman, en la Toxicología de Drogas y Químicos, señala que 1 parte por millón es igual a 1 minuto en dos años, 1 centímetro en 10 kilómetros, o, un céntimo en ¢10,000. Así que una pequeña cantidad de una sustancia puede hacer una diferencia, y necesitamos ser capaces de detectar esos cambios pequeños. Parámetros que mide Adopte una Quebrada Temperatura ¿Qué afecta la temperetura en la quebrada? Obviamente la luz solar juega un papel importante, y la habilidad de un área amortiguadora boscosa para ayudar a regular la temperatura es un beneficio. Otros mecanismos también pueden afectar la temperatura de la quebrada. Por ejemplo, agua de quebradas con muchos sólidos suspendidos (tales como pequeñas partículas de suelo) pueden absorber la luz solar e incrementar la temperatura. Las aguas geotermales que salen de un volcán, también pueden incrementar la temperatura. La variabilidad en la temperatura de la quebrada viene del clima, la elevación, la extención de la vegetación a lo largo de la quebrada y la importancia relativa de la entrada del agua subterránea. Los científicos están en este momento estudiando los efectos de las aportes termales a las quebradas-colectando información, buscando patrones y formando hipótesis de la forma que lo harían con la información que otros han colectado. Tal vez los estudiantes puedan comparar su información con la de los científicos de La Selva. Algunos insectos o peces viven a una temperatura y otros no. En algunos sistemas de la quebrada, las temperaturas tibias podrían incrementar la vulnerabilidad de peces e insectos a enfermedades y toxinas. Un aspecto importante de la temperatura es su influencia en los niveles de saturación del oxígeno disuelto, las temperaturas altas pueden reducir la cantidad de oxígeno disponible (ver la figura 4 sobre la correlación OD/temperatura). Se piensa que en localidades tropicales con una temperatura de aire constante durante todo el año, la temperatura del agua se mantendrá constante. ¿Cuánto cambió la temperatura del aire y la temperatura del agua? o ¿Cuánto difiere? (ver la figura 5). Oxígeno Disuelto El oxígeno es importante para la vida. Las personas podrían vivir solo unos cuantos minutos sin respirar. De hecho, respiramos tan frecuentemente que tomamos el oxígeno por hecho hasta que vamos a algún lugar donde el aire es maloliente. Los organismos acuáticos también requieren de oxígeno para sobrevivir, solo que tienen una forma diferente de obtener el oxígeno-directamente del agua en la que viven. El aire de nuestra atmósfera tiene un 21% de oxígeno, o solo 200,000 partes por millón (ppm). Las quebradas y los lagos tienen mucho menos oxígeno disuelto. De hecho, hay solo 12-15 ppm en agua fría saturada (Merritt y Cummins 1996). ¿De dónde viene el oxígeno en el agua? Entra al agua de la atmósfera (turbulencia en la quebrada), o como un producto de la fotosíntesis de las plantas, tales como algas o phytoplankton. El oxígeno usado por los organismos es gaseoso, y no el oxígeno que forma la molécula de H2O. Anteriormente mencionamos que la temperatura es importante en la cantidad de oxígeno en el agua. ¿Cómo podemos demostrar que el oxígeno se disuelve mejor en aguas frías?. Una manera de ilustrar este punto es algo que los estudiante probablemente pueden hacer en sus casas-hacer cubos de hielo. Si se pone una bandeja de agua fría y una de agua tibia en el congelador al mismo tiempo, el agua caliente no tendra burbujas en él, de la forma en que lo tiene el agua fría, cuando se observan los cubos unas horas más tarde. Tal vez puede pedir a los estudiantes que pongan a prueba sus habilidades de observación al no decirles lo que se debe esperar, y pídales que anoten las diferencias que observan. La paradoja de las regiones cálidas es que en cierto ámbito de temperaturas, los organismos tienden a incrementar su actividad metabólica en agua cálida, requeriendo más oxígeno para mantener su metabolismo. Por lo tanto, los organismos acuáticos son más propensos a experimentar una gran tensión respiratoria en aguas cálidas. Midiendo el oxígeno disuelto (OD) en el agua es una forma de medir el potencial para la vida en la quebrada. Menos de 5mg/L, el cual también puede ser expresado en partes por millón (ppm), no puede sostener una variedad de organismos acuáticos. ¿Cómo es el OD de la Quebrada Grande, en los últimos dos años? (ver figura 6). Las caídas de agua y los rápidos (turbulencia) incrementan los niveles de oxígeno en aguas naturales. ¿Qué factores contribuyen en un OD bajo? Los contaminantes incluyendo aguas negras, también la materia orgánica en proceso de descomposición, la que consume oxígeno mientras están siendo degradadas por bacterias y otros microorganismos, disminuyen el nivel de OD. La entrada de plantas, animales y otros desechos orgánicos pueden ser una de las razones. La concentración de OD en una quebrada es controlada por varios factores, incluyendo: temperatura del agua, temperatura y presión del aire, características hidraúlicas de la quebrada, fotosíntesis o actividad respiratoria, o la cantidad de materia orgánica (MO) presente. La dirección de la concentración de OD es comúnmente directa o indirectamente el resultado de la actividad humana. Generalmente un incremento en la dirección de la concentración de OD, indica un mejoramiento en las condiciones de la calidad del agua; una disminución en la dirección indica un deterioro de las condiciones. La turbulencia incrementa el intercambio de oxígeno al incrementar la superficie del agua, forzando la aereación y moviendo el agua baja en concentración de O2 a la superficie. La urbanización es uno de los tantos factores que disminuyen la turbulencia. El oxígeno podría ser la clave en la deficiencia de organismos en la quebrada. La misma cantidad de taxa depende de que pase una corriente sobre sus estructuras respiratorias. En el caso de las quebradas que están cerca de la Quebrada Grande, aparentemente los efemerópteros están muy bien, pero los quironómidos están mucho mejor. Estos dos grupos de organismos tienen diferentes requerimientos para vivir, generalmente los quironómidos pueden vivir en un ambiente que contiene menos oxígeno. Niveles significativos de OD según Lamotte La cantidad de oxígeno que es requerido por los animales para sobrevivir y crecer varía dependiendo de las especies y estadios de vida.
Los peces y otros animales que pueden movilizarse, dejarán las áreas con niveles bajos de oxígeno disuelto y se concentrarán en áreas con niveles más altos. Los animales acuáticos que se mueven muy lentamente, o están atrapados o no son móviles, podrían morir si el nivel de oxígeno disuelto cae por debajo de 1 ppm. pH El pH es un concepto difícil de entender. La mayoría de las personas están concientes que el pH es una medida de acidez. ¿Pero qué significa "pH", y por qué es tan importante? Bueno, sabemos que el agua está compuesta de iones H+ y OH-. En una solución, el pH es la potencia Hidrógeni, o la cantidad de H+. La escala de pH tiene un ámbito de 0 a 14. Si los iones de H+ y OH- son iguales, se neutralizan entre si, y el pH es 7. El pH del agua destilada es 7. Medidas de pH menores a 7 son ácidas, y medidas mayores de 7 son básicas o alcalinas. La escala de pH es una escala logarítmica, así que 6 es 10x más ácida que 7, y 5 es 100x más ácida que 7. El pH de la quebrada regula muchos de los procesos químicos y fisiológicos de la vida acuática, incluyendo la habilidad de obtener los nutrientes esenciales. La mayoría de los organismos requieren de un pH entre 5.6 y 8.5. Los niveles normales de pH varían dependiendo de los minerales y aportes antropogénicos en la quebrada. Por ejemplo, un pH bajo podría ser el resultado de la lluvia ácida-- un resultado causado por el humo de los carros o de la energía generada al quemar carbón (estos dos están ocurriendo en los Estados Unidos)-- o podría ser del tipo de suelo o la actividad volcánica. Agua con un pH acídico podría ser perjudicial para los organismos acuáticos, desde los consumidores primarios a las plantas a las bacterias descomponedoras. Las consecuencias de un pH mucho menor de 5.0 podría ser bien serias. En peces e invertebrados, un pH bajo podría afectar e incluso inhibir la respiración, incrementando la mortalidad o un ausencia de huevos que desarrollar, e interferir con la habilidad de regular los iones, incluyendo la pérdida de sodio del cuerpo y causa que no se obtenga suficiente calcio del agua. Valores aproximados del pH de algunas sustancias y fuentes naturales de agua. 14---≥Potaza
13---≥Cloro 12--- Básico 11--- 10--- 9--- ≥Bicarbonato de sodio 8--- ≥Agua de mar Neutro 7---≥Agua destilada 6--- ≥Agua de lluvia 5--- ≥Jugo de naranja 4--- Acido 3---≥Vinagre ≥Coca-Cola 2---≥Jugo de limón 1--- ≥Acido de batería 0--- Nutrientes Los organismos vivientes requieren de un ámbito de elementos para los procesos de la vida, tales como respiración. Las plantas y los animales comparten muchos de los elementos que se requieren, los cuales obtienen de su ambiente. Entre estos requerimientos se incluyen, carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O), los cuales son suministrados por el aire y el agua. Otros elementos, muchos de los cuales se llaman nutrientes, incluyen, nitrógeno (N), fósforo (P), potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg), azufre (S), hierro (Fe), cloro (Cl), zinc (Zn), molibdeno (Mb), y otros. En las clases de agronomía los estudiantes probablemente han aprendido que tan importantes son estos nutrientes para las plantas. Por ejemplo, el potasio y fósforo son requeridos por las plantas para el crecimiento y desarrollo, y son encontrados en forma natural solo en pequeñas cantidades. Para incrementar o acelerar el crecimiento de la planta, muy frecuentemente se agregan fertilizantes. El nitrógeno, potasio y fósforo son los nutrientes más comunes en fertilizantes, porque se necesitan en grandes cantidades comparadas con los otros elementos que necesita la planta y que son muy importantes para el crecimiento y la producción. ¿Alguna vez ha escuchado usted la expresión "Mucho de una buena cosa es malo"? Bueno, ciertamente es aplicable a los nutrientes de una planta. Si una planta recibe mucho de un nutriente, puede interferir con la función de la planta. Algunos nutrientes pueden incluso llegar a ser tóxicos si están presentes en grandes cantidades. Otras consideraciones al aplicar fertilizantes incluirían las consecuencias si el fertilizante no se queda en el área en el que fué aplicado. Si los fertilizantes son llevados a la quebrada, las algas en la quebrada crecerían rápidamente-- con frecuencia demasiado rápido para la cantidad de oxígeno. Al morir, las algas son descompuestas por bacterias y hongos, los cuales requieren oxígeno disuelto para este proceso. Si las bacterias y los hongos consumen mucho oxígeno durante la descomposición, otros organismos de la quebrada podrían morir por falta de oxígeno. Por lo tanto la cantidad de nutrientes en la quebrada es muy importante para el ecosistema de la quebrada, ya que los nutrientes determinan el tipo y la calidad de vida que se encontrará en el agua. Los científicos han determinado que la relación Carbono-Nitrógeno y Fósforo en las algas es constante en el tejido celular. La tasa basada en pesos atómicos es 106:16:1 (Allan 1996). Sería recomendable examinar a los estudiantes para ver si recuerdan de donde obtienen las plantas el carbono, ya que necesitan tanto de él. Mientras piensan la respuesta, la cual es fotosíntesis, podrían también pensar sobre el problema del efecto invernadero-- el dióxido de carbono incrementado en el aire contribuye al problema. También, notará que el fósforo es necesario en mucho menor cantidad que el nitrógeno o el carbono. Para nuestra prueba, estamos interesados en la cantidad de nitrógeno y fósforo, porque nos pueden decir mucho hacerca de la quebrada y la cuenca. Un repaso sobre algunas de la fuentes externas de nitrógeno y fósforo:
Nitrógeno ¿Qué tanto de nuestra atmósfera es Nitrógeno? Cerca del 78%. Aún así pocos organismos pueden usar el nitrógeno en la forma presente en la atmósfera. De hecho el nitrógeno está en muchos lugares en tan poca disponibilidad que puede limitar el crecimiento de los organismos. Los organismos utilizan nitrógeno en forma de Amonio (NH3 o NH4), Nitratos (NO3), o Nitritos (NO2). Estos compuestos pueden ser creados por reacciones eléctricas, tales como tormentas eléctricas o emitidas por fijadores de nitrógeno y descomposición de materia orgánica. Las plantas incluyendo las algas, pueden incorporar el nitrato (NO3) en su citoplasma y usar nitrógeno para ensamblar proteinas. El proceso de descomposición fué identificado anteriormente como una posible fuente de nitrato. Los desechos de seres humanos, animales y plantas en proceso de descomposición, produciendo amonio. Parte del amonio es absorbido por plantas acuáticas en crecimiento, pero la mayoría del amonio es transformado a nitrato y nitrito por las bacterias, incrementando los niveles de nitrato (LaMotte 1994). La proporción natural de reemplazo de material viviente en el trópico puede afectar el ecosistema de la quebrada. Una quebrada tropical en las llanuras de Costa Rica podría tener una concentración normal de nitrato entre 0.50 y 0.100 mg/L. Elevadas concentraciones de nitrato podrían observarse cuando un área ha sido recientemente deforestada para pastizales y los nutrientes del suelo están siendo lavadas a las quebradas. El agua superficial no debería exceder 0.5 mg/L para así evitar la eutroficación. El agua subterránea es normalmente 10 mg/l. A veces el ganado en los pastizales incrementa la cantidad de nutrientes. Probamos los niveles de nitrato para ver si la cantidad de nitrato está aumentando en la quebrada, para luego investigar que está causando la elevación. Las fuentes antropogénicas más comunes de nitrato y nitrito son: descarga de aguas de desecho o aguas sin tratamiento, sistemas funcionando individualmente y escorrentía de operaciones agrícolas, tales como lechería o campos con fertilizantes. Como la concentración de nitrato puede indicar el nivel de contaminación por fertilizantes y otras fuentes (Allan 1996), los dos años de datos que hemos colectado pueden ayudar a determinar como el uso de la tierra en la cuenca de la Quebrada Grande puede estar afectando la condición de las quebradas. Una actividad interesante sería la de colectar agua de lluvia y analizarla en busca de nitratos, amonio y fósforo. Si hay alguna diferencia entre el agua de lluvia y el agua colectada de la quebrada, trate de determinar que es lo que está causándolo. Aún más interesante sería analizar una o más localidades en la Quebrada Grande, para ver que diferencias pueden haber, si hay alguna. Por ejemplo, algunos de los voluntarios de la clase podrían analizar quebrada arriba, y otros quebrada abajo de Puerto Viejo, para ver el impacto que el pueblo puede tener sobre la quebrada. ¿Cuáles podrían ser las diferencias? Es natural para un río tener diferentes niveles de nutrientes a lo largo del río, o entre secciones limpias y secciones contaminadas (Allan 1996), pero también es posible que haya un impacto sobre el río, el cual lo podemos determinar y trabajar para cambiarlo. La contaminación por nitrato es un fenómeno relativamente nuevo, y no se notó en aguas superficiales ni subterráneas hasta 1980 en adelante (Meybeck 1989). Amonio La producción de amonio es un ejemplo del proceso de reciclaje natural. El amonio puede ser encontrado en los excrementos de organismos acuáticos y es el resultado de la descomposición de materia fecal e hidrólisis o úrea. También, cuando las plantas y animales mueren, las bacterias transforman las moléculas para formar amonio. El amonio es la forma de nitrógeno preferida por las plantas porque es más fácil de consumir. Los fertilizantes son una fuente artificial de amonio y el amonio es altamente soluble en agua (Laidlaw 1996). El programa Adopte una Quebrada analiza en busca de amonio y puede representar los resultados como amonio con una simple conversión. Niveles significativos de amonio:
Fósforo El fósforo es esencial para el crecimiento de las plantas y las reacciones metabólicas en plantas y animales. Se necesita menos fósforo que nitrógeno y coincidentemente en muchos sistemas está menos disponible. El fósforo libre es usado rápidamente por algas y plantas grandes o se adhiere al aluminio o partículas del suelo, tales como arcilla. Analizamos la presencia de fosfatos porque es fácilmente absorbido por las plantas. Las fuentes naturales de ortofosfatos incluyen: mineralización, erosión de partículas de roca, la ceniza de incendios forestales; o precipitación a causa de actividad volcánica. Las fuentes humanas incluyen los fertilizantes y los detergentes. Como fué mencionado anteriormente, el fósforo se encuentra típicamente en concentraciones bajas--menos de 0.1 mg/L. Lluvias fuertes o deforestación para crear pastizales pueden resultar en el incremento de los niveles de fósforo en el agua de la quebrada, porque la escorrentía lleva partículas de suelo las cuales tienen fósforo adheridas a él. Los desechos (agrícolas, municipales e industriales) también pueden incrementar la concentración, como lo pueden también las fuentes geotermales. La consecuencia en el incremento de nutrientes ha sido discutida-- incremento en el crecimiento de plantas a corto plazo (llamadas explosión de algas), puede cambiar el balance o equilibrio. Como resultado, cuando las plantas mueren, la descomposición reduce la cantidad de oxígeno disuelto para los organismos de la quebrada. Educadores, por favor consideren la posibilidad de muestrear dos sitios diferentes. Si hay alguna diferencia, ¿Deberiamos considerar los criterios de calidad del agua para proteger el agua? ¿Para ayudarnos a mantener una vida mejor? Es mucho más caro tratar con el problema una vez presente. Puntos Importantes de la Lección cuatro
Actividades Estudiantes como científicos / estudiantes como detectives Está es una actividad donde los estudiantes trabajan para resolver un rompecabezas, al darles un grupo de claves en forma de datos, datos de una quebrada hipotética. Primero, dibuje la quebrada hipotética, quizá en la pizarra, ilustrando un grupo de características. Se podrían incluir casas individuales, pastizales, un sembradío, ciudades (¿planta de tratamiento?), fábricas, tiendas o cualquier otro negocio, bosque, plantaciones de banano, etc. En este dibujo habrán un par de lugares donde fué muestreada la quebrada. Todo esto es hipotético, así que no hay necesidad de usar datos reales. De hecho, sería mejor exagerar algunos de los datos para hacer notar el punto escogido. Un ejemplo de esta actividad podría ser el siguiente: Primero podría buscar algunos patrones. Para esta actividad, está bien ver los cuadros. Sin embargo, para comunicar los datos, ya que las personas son pensadores visuales, los científicos con frecuencia hacen figuras con los datos, tales como gráficos. Los gráficos transforman los números en patrones espaciales simples, ayudándonos a ver la dirección de los datos. Por ejemplo, grafique los datos de temperatura del punto 1: Datos para el punto 1:
Datos para el punto 2:
¿Qué patrones observa usted? Estos patrones forman una tendencia. Si observa los datos, verá que algunas tendencias siguen un patrón estacional, porque los datos son de una quebrada en la región templada, en los Estados Unidos. Observe como la temperatura de la quebrada se enfría de octubre a febrero y empieza a calentar de nuevo. ¿Nota usted algún cambio similar en alguna de las otras medidas?. La relación entre la temperatura y el oxígeno disuelto, como fué discutido anteriomente, sobresale. Al enfriarse la temperatura en la quebrada, aumenta la cantidad de oxígeno disuelto. Ahora está en vías de analizar los datos, en la misma forma en que los científicos en Costa Rica y alrededor del mundo lo hacen. Los científicos trabajan para explicar cualquier patrón o relación en los datos colectados. Haciendo esto, forman una o más hipótesis para explicar el fenómeno y entonces prueban la hipótesis para determinar cual explica mejor lo encontrado en la naturaleza. En esta actividad, usted va a completar las partes del análisis de datos, incluyendo la busqueda de patrones en los datos y a formar hipótesis que expliquen los patrones. ¿Qué diferencias encuentra entre los puntos 1 y 2?, ¿Qué hipótesis puede hacer o cómo podría explicar los patrones que ha encontrado? Ahora observe los datos colectados en el Puerto Viejo y discuta que patrones observa. |
