¿Por qué es importante el agua?
El agua es vital para la mayoría de los organismos del planeta; de ahí que a menudo se conserve para evitar su pérdida. Algunos ejemplos de por qué el agua es esencial:
- Regulaciónde la temperatura - La temperatura en el interior del cuerpo de un animal debe mantenerse para la homeostasis (mantenimiento de la estabilidad corporal interna).
- Regulación delpH del cuerpo interno
- Hidrólisis para la descomposición del ATP y la producción de energía
- Digestión - el agua forma un revestimiento dentro del tubo digestivo y el estómago del animal frente a las propiedades corrosivas del ácido.
- Fotosíntesis - utiliza agua para producir oxígeno y azúcares.
- Movimiento de iones y azúcares en el xilema de la planta.
¿Qué es la pérdida de agua?
El agua se pierde a través de las aberturas del cuerpo del organismo.
Pérdida de agua en relación con la relación superficie/volumen
La relación superficie/volumen(SA: Vol) desempeña un papel esencial en la pérdida de agua. Veamos un ejemplo en la Figura 1. Ambas formas tienen el mismo volumen (100 m³); sin embargo, la relación es mayor en la primera forma debido a su mayor superficie. Por tanto, la primera forma tendrá una relación SA: Vol mayor. Esto es bueno para los organismos unicelulares y las estructuras especializadas en los pluricelulares.
En el intercambio de gases y nutrientes, una gran superficie es beneficiosa. Sin embargo, los peligros de una gran superficie: lo has adivinado, ¡más pérdida de agua! En el caso de la figura 1, se producirá más pérdida de agua en la primera forma. Los organismos deben equilibrar el intercambio de gases y nutrientes, la pérdida de agua y otras necesidades.
Fig. 1 - Comparación SA:Vol entre las dos formas
Pérdida de agua en los insectos
Aparte del canal alimentario (de la boca al ano), hay tres vías por las que un insecto pierde agua. Éstas son
- A través de la pared corporal.
- A través del sistema espiracular (aberturas en el exoesqueleto).
- Pérdida parcial por (1) y (2).
Adaptaciones para limitar la pérdida de agua en los insectos
Los insectos han desarrollado adaptaciones para limitar la pérdida de agua, como el exoesqueleto impermeable, los espiráculos y el pequeño SA: Vol.
Pequeña SA: Vol
Los insectos más pequeños, como una mosca, tendrán una relación SA: Vol mayor y perderán más agua que un saltamontes. Sin embargo, una relación SA: Vol pequeña también causaría problemas en el intercambio gaseoso. Por eso los insectos tienen un sistema traqueal que facilita el intercambio de gases. Tener una mayor superficie reducirá la pérdida de agua.
Exoesqueleto
El cuerpo de un insecto está recubierto por una cutícula hecha de quitina. La superficie externa(epicutícula) que recubre el cuerpo del insecto es cerosa y resistente al agua. No contiene quitina. La cutícula (también puede denominarse exoesqueleto) es impermeable e impide que el agua se evapore (Figura 1b)). Esto ayuda a evitar la deshidratación. Por supuesto, si fuera totalmente impermeable, no podría producirse el intercambio de gases y por eso el sistema traqueal tiene espiráculos.
Espiráculos
Los espiráculos son pequeñas aberturas de las tráqueas en la superficie del cuerpo. Suelen encontrarse alrededor de la zona abdominal (Figura 1a)). El intercambio gaseoso tendrá lugar en los espiráculos. Cuando los espiráculos están abiertos, se produce una pérdida de agua. Para limitarla, cuando el insecto está en reposo, los espiráculos permanecen cerrados. Cuando el insecto está en reposo, la necesidad de oxígeno se reduce debido a la menor respiración. Los espiráculos contienen válvulas para abrirse y cerrarse.
Los espiráculos están además adaptados para reducir la pérdida de agua al contener pelos en su interior. Los pelos pueden retener algo de agua, manteniendo la humedad. Esto reduce la pérdida de agua. La prevención de la pérdida de agua también garantizará que las superficies de intercambio de gases permanezcan húmedas.
Fig. 2 - A) Sistema traqueal de un insecto. B) Exoesqueleto de un artrópodo
Pérdida de agua en las plantas
Las plantas tienen dos sistemas de transporte: el xilema y el floema. Nos centraremos en el xilema, que se encarga de transportar el agua y los minerales inorgánicos desde las raíces hasta las partes de la planta situadas por encima del suelo.
El agua se pierde por transpiración. La transpiración a través de los estomas hacia el aire es el motor del movimiento del agua. La transpiración reduce el potencial hídrico en las hojas y, a su vez, en la planta. Esto permite que el agua se desplace desde las raíces hacia arriba de la planta.
Estomas: aberturas en la epidermis de la planta.
Fig. 3 - Visión general del movimiento del agua a través de la planta
Limitar la pérdida de agua en las plantas
A diferencia de los insectos, las plantas tienen una gran relación superficie/volumen. Esto es imprescindible porque las plantas necesitan una gran proporción para la fotosíntesis. La gran superficie de las hojas es necesaria para captar la energía solar y facilitar el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono.
Las principales formas que tienen las plantas vasculares (plantas bien desarrolladas) de limitar la pérdida de agua son la cutícula, los pelos de las hojas, los estomas y la relación mutualista entre microorganismos. La cutícula es cerosa e hidrófuga, lo que mantiene el agua "encerrada" en la planta. Al igual que los espiráculos de los insectos, los estomas pueden abrirse y cerrarse. En lugar de válvulas, como en los espiráculos, los estomas tienen células de guarda. Las células de guarda pueden aumentar (menor pérdida de agua y menor intercambio gaseoso) o disminuir de tamaño (mayor pérdida de agua y mayor intercambio gaseoso).
Los microorganismos mutualistas ayudan a las raíces de la planta a mantenerse húmedas a cambio de los azúcares de la planta.
Xerófitas
Las xerófitas son plantas que se han adaptado a vivir en entornos muy secos. Han desarrollado adaptaciones para limitar la pérdida de agua y evitar la desecación en estos entornos tan duros (por ejemplo, las dunas).
Reducción de la superficie
Las hojas más pequeñas equivalen a una superficie menor para la pérdida de agua. Las hojas pequeñas y circulares, como las agujas de pino, reducen considerablemente la evaporación del agua.
Cutícula gruesa
Aunque todas las plantas tienen una cutícula cerosa, el agua puede escaparse. Cuanto más gruesa sea la cutícula, menor será la pérdida de agua. Las agujas de pino tienen una gruesa cutícula cerosa.
Hojas enrolladas
Las plantas que no tienen hojas en forma de aguja enrollan las hojas hacia arriba. Los estomas de las hojas están presentes en la epidermis inferior. El enrollamiento de las hojas atrapará el vapor de agua y, a su vez, creará un potencial hídrico elevado (alta concentración de moléculas de agua libres). El potencial hídrico entre el exterior y el interior de la hoja se igualará (sin gradiente de potencial). Esto provocará que no haya pérdida de agua. Plantas como la hierba Marram incorporan esta adaptación.
Hojas peludas y estomas en hoyos y surcos
Los estomas en fosas y rodeados de pelos reducirán la transpiración. Una gruesa capa de pelos en la superficie de la hoja y dentro de las fosas atrapará la humedad. Se producirá una reducción del gradiente de potencial hídrico para perder menos agua, por ejemplo, la planta del brezo (hojas con pelos) y el pino (estomas en hoyos).
Fisiología del metabolismo ácido de las crasuláceas (CAM)
El CAM es una vía de fijación del carbono que ha evolucionado como adaptación en algunas xerófitas para reducir la pérdida de agua. La planta realiza la fotosíntesis durante el día y sólo intercambia gases durante la noche.
Halófitas
También hablaremos brevemente de las halófitas. Las halófitas son plantas que se han adaptado a crecer en condiciones salinas, como los pantanos. Las halófitas
- Alterarán sus calendarios de floración y sólo florecerán durante la estación lluviosa para minimizar la exposición a la sal.
- Excretarán sal: las halófitas excretarán la sal a través de ciertas partes, como el tallo. Pueden contener glándulas salinas que se han adaptado para deshacerse activamente de la sal dentro de la planta.
- Adaptaciones de las raíces - en algunas halófitas, las raíces están adaptadas para excluir alrededor del 95% de la sal del suelo.
- Posicionamiento de los tejidos - algunas concentran la sal en determinadas hojas. La sal caerá entonces de la hoja (abscisión).
- Secuestro celular - las halófitas pueden aislar las sales dentro de sus paredes celulares y vacuolas.
Fig. 4 - Comparación entre xerófitas y halófitas
Pérdida de agua en el ser humano
Perdemos agua a través de la respiración, la piel, las heces, la orina y el sudor. Por término medio, el cuerpo humano ingiere unos 2,5 L de agua al día y pierde la misma cantidad. Si te deshidratas, tu cuerpo te "dirá" que tienes sed y que necesitas beber agua (Figura 5). Probablemente también hayas notado que tu orina es más concentrada cuando bebes menos agua. Esto también es un buen indicador de que ¡necesitas beber agua pronto!
A diferencia de los insectos y las plantas, no tenemos una cutícula cerosa para atrapar el vapor de agua o disminuir la pérdida de agua por evaporación. Cuando hace calor, el cuerpo suda para mantenerse fresco. También exhalaremos vapor de agua y no podremos alterar la cantidad de agua que perderemos.
Los riñones regulan la cantidad de agua e iones que se eliminan del cuerpo. Esto es la osmorregulación. Los osmorreceptores que modulan la osmolalidad (número de partículas disueltas en el líquido) se encuentran en el hipotálamo del cerebro. La glándula pituitaria, unida al hipotálamo, controlará el agua presente en el torrente sanguíneo y la cantidad de orina producida por los riñones mediante la liberación de hormonas.
Fig. 5 - Visión general de la respuesta a la sed en el ser humano
La glándula pituitaria también se encuentra en todos los vertebrados, aunque su estructura variará dentro de los distintos grupos.
Pérdida de agua - Puntos clave
- El agua es vital para la mayoría de los organismos vivos del planeta. El agua se utiliza para la regulación de la temperatura corporal y el pH, la fotosíntesis, el movimiento de iones y azúcares y otros.
- La pérdida de agua se produce principalmente por evaporación (transpiración en las plantas).
- Los organismos vivos tienen diversas adaptaciones para controlar la pérdida de agua. Estas adaptaciones incluyen superficies y órganos especializados y una menor relación SA: Vol.
- Algunos organismos vivos, como las plantas xerófitas y halófitas, están adaptados a vivir en entornos extremadamente duros. Tendrán adaptaciones adicionales para conservar el agua y reducir su pérdida.
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