unidad x. la biosfera ii. energía y materia en el ecosistema
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UNIDAD 10
LA BIOSFERA II. ENERGÍA Y MATERIA EN EL ECOSISTEMA
El flujo de energía que llega del sol es el responsable del mantenimiento de todos los procesos vitales de la biosfera.
El planeta es un sistema abierto desde el punto de vista energético y experimenta continuas pérdidas de energía en forma de calor hacia el espacio exterior.
La energía se degrada en su paso unidireccional por el ecosistema, de manera que no se recupera. Por ello constituye un ciclo abierto. Po su parte, la materia circula en los ecosistemas formando un ciclo cerrado. Esto significa que determinados nutrientes, tras ser asimilados por unos organismos, pasan a formar parte de otros, para, finalmente, volver al medio en forma de materia inorgánica.
ESTRUCTURA TRÓFICA Y FLUJO DE ENERGÍA EN LOS ECOSISTEMAS.
ECOSFERA
Distribución de la radiación solar total en la superficie de la Tierra
Distribución de la radiación solar en España
Los organismos autótrofos son los responsables de la transformación de la energía radiante solar en energía química (fijación de la energía), mediante el proceso de la fotosíntesis.
Los organismos heterótrofos, que son incapaces de fijar la energía del Sol para fabricar sus moléculas orgánicas, deben adquirir las macromoléculas ricas en energía directamente de los organismos autótrofos o de otros seres heterótrofos. Más tarde, cuando autótrofos y heterótrofos necesiten energía degradarán estas moléculas mediante la respiración.
Los vegetales, mediante sus órganulos fijadores de energía (cloroplastos), son los principales protagonistas de la captación de energía luminosa, siendo insignificante el papel de las cianobacterias y de las bacterias fotosintéticas.
Por último, las bacterias quimiosintéticas, cuya producción resulta irrelevante en la superficie terrestre, son cruciales en las biocenosis ligadas a las emisiones termales (humeros) del fondo de los océanos, ya que son los productores en esos ecositemas sin luz del fondo oceánico.
Diagrama del flujo de energía en un ecosistema. La energía que atraviesa un ecosistema va disminuyendo a medida que pasa de unos niveles tróficos a otros.
• Podemos reconocer básicamente tres niveles de organismos en una biocenosis en función de cómo obtienen sus nutrientes:
• PRODUCTORES. Fijan y almacenan la energía solar en forma de moléculas orgánicas a partir de compuestos inorgánicos.
• CONSUMIDORES. Se nutren a expensas de la materia orgánica ya elaborada. Son:
– Consumidores propiamente dichos. Se alimentan de materia orgánica viva. Son primarios, secundarios, terciarios y omnívoros.
– Sapróbios o detritívoros. Se alimentan de materia orgánica muerta. Son necrófagos o carroñeros, saprófagos que se alimentan de restos de plantas o cadáveres claramente alterados y coprófagos que se alimentan de excrementos de animales como los escarabajos peloteros.
• DESCOMPONEDORES. Son las bacterias y hongos. Se les llama también transformadores, reductores, mineralizadores o saprofitos
PRODUCTORES
CONSUMIDORES
AUTÓTROFOS
FOTOSINTÉTICOS: Bacterias, Cianobacterias, algas unicelulares y pluricelulares y plantas superiores.
CO2 + H2O Mat. orgánica + O2
QUIMIOSINTÉTICOS: Obtienen la energía de la oxidación de ciertas moléculas inorgánicas. Son bacterias autótrofas independientes de la luz.
RESPIRACIÓN: Mat. orgánica + O2 CO2 + H2O + Calor
HETERÓTROFOS
RESPIRACIÓN: Mat. orgánica + O2 CO2 + H2O + Calor
FORMAN SUS PROPIAS ESTRUCTURAS
FORMAN SUS PROPIAS ESTRUCTURAS
CONSUMIDORES TERCIARIOS O SUPERPREDADORES
CONSUMIDORES SECUNDARIOS O CARNÍVOROS
CONSUMIDORES PRIMARIOS O HERBÍVOROS
CALOR
Detritívoros
o
saprobios
DESCOMPONEDORES
HETERÓTROFOS SAPRÓFITOSBacterias y hongos que transforman: Materia inorgánica y Materia orgánica e orgánica compleja inorgánica sencilla
TRANSFORMADORES
AUTÓTROFOS QUIMIOSINTÉTICOSTransforman la materia orgánica en compuestos minerales
MINERALIZADORES
Diagrama del flujo de energía en un ecosistema. La energía que atraviesa un ecosistema va disminuyendo a medida que pasa de unos niveles tróficos a otros.
Diagrama del flujo de energía en un ecosistema. La energía que atraviesa un ecosistema va disminuyendo a medida que pasa de unos niveles tróficos a otros.
Los organismos están conectados tróficamente unos con otros. Para visualizar claramente estas relaciones alimentarias hay tres modelos: cadenas tróficas, redes tróficas y pirámides tróficas.
REDES TRÓFICASCADENAS TRÓFICAS
CADENA Y RED TRÓFICA
CADENA TRÓFICA
CADENA Y RED TRÓFICA
RED TRÓFICA
CADENA Y RED TRÓFICA
PARÁMETROS TRÓFICOS
• BIOMASA: Es la cantidad en peso de materia orgánica viva o muerta de cualquier nivel trófico o de cualquier ecosistema.
Se mide en gr., kg., y en unidades de energía. Un gr. de materia orgánica equivale a 4 ó 5 kcal. y se expresa en unidades de área o volumen.
Ej.: kgC/m2. C=materia orgánica.
La biosfera tiene una cantidad de biomasa insignificante con respecto a la necromasa, siendo aún mucho mayores las reservas resultantes de la acumulación de carbono reducido (carbón o petróleo) por organismos de otros tiempos geológicos.
PARÁMETROS TRÓFICOS
• PRODUCCIÓN: Se refiere al incremento de biomasa de un ecosistema o de uno de sus niveles tróficos.
• Producción primaria (Pp) es la cantidad de energía luminosa transformada en energía química por los vegetales.
• Producción secundaria (Ps) es el nombre que recibe el almacenamiento de energía en los tejidos de los organismos heterótrofos.
En los dos casos:• Producción bruta (Pb): Energía fijada por unidad de tiempo. En
productores es el total sintetizado por día o año incluyendo la que se consume en la respiración y en consumidores el alimento asimilado que no es el consumido.
• Producción neta (Pn): Materia orgánica que queda después de descontar la respiración. Es la que podrá ser transferida al nivel siguiente. Refleja el aumento de biomasa por unidad de tiempo.
Pn = Pb – R R = respiración
PRODUCCIÓN DE LA BIOSFERA
Producción anual
(entre bruta y neta) (gC/m2)
Extensión (106 km2)
Producción anual (106 ton C)
Bosques 400 41 16 400
Cultivos 350 15 5 250
Estepas y pastos 200 30 6 000
Desiertos 50 40 2 000
Rocas, hielos, ciudades
0 22 0
Tierras 148 29 650
Océanos 100 361 36 100
Aguas continentales 100 1.9 190
Aguas 362.9 36 290
Total 65 940
PARÁMETROS TRÓFICOS
• PRODUCTIVIDAD de un ecosistema, o de uno de sus niveles tróficos, consiste en la relación entre la producción (P) y la biomasa mantenida (B) por unidad de
p = P / B
Representa la velocidad con que se renueva la biomasa y la eficiencia con que se transmite la energía de un nivel trófico del ecosistema al siguiente.
PARÁMETROS TRÓFICOS
• PRODUCTIVIDAD BRUTA (pB) o flujo de energía al nivel trófico considerado.
pB = PB / B
• PRODUCTIVIDAD NETA (r) o tasa de renovación. Señala la velocidad de renovación de la biomasa del ecosistema o nivel trófico. Puede variar entre 0 y 1 (como valor máximo=100%).
r = PN / B
• TIEMPO DE RENOVACIÓN (tr) de la biomasa de un sistema o nivel trófico . Representa el tiempo que tarda en renovarse un nivel trófico. Se mide en días, años, etc.
tr = B / PN
En un pastizal, cuya estructura es simple, el tiempo de permanencia de los elementos es breve, y su renovación (productividad), muy alta (p<1). En ciertos momentos del ciclo vegetativo su productividad diaria puede acercarse al de las comunidades planctónicas.
En el cultivo, la productividad es máxima (p=1), dado que la totalidad de la biomasa producida es extraída en la recolección. La renovación de biomasa se puede considerar continua.
En el bosque maduro ocurre lo contrario: presenta una gran cantidad de biomasa que se mantiene constante. Se puede aceptar que toda la energía que le llega se emplea en su automantenimiento y no se produce un aumento de materia y energía. Cada nivel trófico consume la producción neta del nivel precedente, sin variar la biomasa. Por tanto, la respiración es lo que condiciona que la productividad sea inferior a la del pasto (p=0).
El mayor grado de organización y estabilidad del ecosistema va unido a una baja velocidad de renovación de sus elementos, a una disminución del flujo de energía que lo atraviesa y a un aumento de la biodiversidad. Un ejemplo real son las selvas tropicales, con una producción muy alta, la productividad, por el contrario, es inferior a la de los pastos o praderas, debido a la elevada biomasa permanente que presentan.
ECOSISTEMA Biomasa (mg C/m3)Producción (mg
C/m3) - día
Plantas 60.000 1.200
Herbívoros 6.000 40
Carnívoros 400 1
Carnívoros II 48 0,03
Observa los datos de la tabla y realiza estas actividades:
•Compara los valores de biomasa y producción en los diferentes niveles tróficos y saca alguna conclusión.
Se observa que ambos parámetros van disminuyendo según la regla del 10%
•¿Qué ocurre con la productividad y el tiempo de renovación a lo largo de la cadena trófica.
La productividad va disminuyendo: 0.02, 0.006, 0,002, 0.0006 y el tiempo de renovación va aumentando, ya que, por regla general, los últimos eslabones tardan más tiempo en crecer: 50, 150, 400 y 1600 días.
•¿Por qué el número de eslabones es tan reducido?
Dado que la energía que pasa de un eslabón a otro es sólo el 10% de la contenida en él, si lo productores fijaran una unidad, los herbívoros recibirían la décima parte , los carnívoros I, la centésima, etc... De forma que el paso de energía a los últimos eslabones es insignificante.
•Calcula la productividad total del ecosistema. ¿Presenta un porcentaje elevado o bajo?¿Cuál crees que puede ser el motivo?
La productividad total del sistema es Pn/B= 1.241,03 / 66,448 = 0,018, cantidad muy pequeña si la comparamos con la máxima que sería la unidad. Esto quiere decir que el sistema tiene mucha biomasa, puesto que presenta un gran gasto respiratorio.
PARÁMETROS TRÓFICOSEFICIENCIA ECOLÓGICA. La eficiencia ecológica describe la eficacia con la cual la energía se transfiere de un nivel trófico a otro y se puede definir como el aprovechamiento de la energía que se transfiere de un nivel trófico (n-1) al siguiente (n), y puesto que en la transferencia siempre se disipa calor, será mayor la eficiencia cuanto menor sea la pérdida.
La energía que pasa de un eslabón a otro es aproximadamente el 10% de la acumulada en él.
(Regla de Lindeman)
Nº de eslabones limitado
Un animal quema continuamente su suministro de combustible para realizar el trabajo de vivir. expulsando los gases de la combustión por las chimeneas de sus fosas nasales y despidiendo calorías al espació exterior en forma de calor de radiación. El animal utiliza su propia carne, reemplazando la materia consumida por medio de la ingestión de más alimentos, y quemando después la mayor parte de éstos. Este proceso de consumo de la materia por los fuegos de la vida tiene lugar en todos los niveles de las pirámides tróficas, y los fuegos se ven continuamente refrescados por las plantas sobre las que reposan las pirámides animales.
En cada nivel sucesivo de las pirámides, los animales tienen que conformarse con el combustible (alimento) que pueden arrebatarle al nivel inferior. Pero solo pueden arrancarle una fracción de lo que este nivel no haya consumido ya, y con ello, los habitantes de las capas superiores deben no sólo construir sus propios cuerpos; sino también alimentar sus vidas. Es este el motivo por el que su población es sólo una fracción de las poblaciones de los niveles tróficos inferiores, lo que viene a decir que son escasos.Del libro ¿Por qué son escasas las fieras? Paul A. Colinvaux 1978. Pág. 28
PARÁMETROS TRÓFICOS
En función de la ley del diez por ciento, a medida que la energía va fluyendo a niveles tróficos superiores la reducción del flujo energético es progresiva, dado que cada nivel trófico tiene a su disposición únicamente una fracción del que lo precede, que es del orden del 10 por ciento. La eficiencia ecológica describe la eficiencia con la cual la energía se transfiere de un nivel trófico a otro.
FACTORES QUE REGULAN LA PRODUCCIÓN PRIMARIA
En conjunto, la biosfera utiliza menos del uno por mil de la energía del Sol que alcanza la superficie terrestre. Tan baja eficiencia se debe a una serie de factores que limitan o regulan la producción de los organismos autótrofos.
El crecimiento de una especie vegetal se ve limitado por un único elemento que se encuentra en cantidad inferior a la mínima necesaria y que actúa como factor limitante.
• Luz• Nutrientes (nitrógeno y fósforo)• Temperatura• Agua
• Concentración de CO2
Factores limitantes
• Luz: Una mayor cantidad de luz provoca un aumento de la productividad hasta cierto nivel, sobrepasado el cual no aumenta la productividad.
• El agua: Permite el crecimiento, al servir de vehículo a las sales minerales y sin ella los estomas se cierran e impiden el paso de CO2.
• La temperatura: Un aumento incrementa la producción, pero si aumenta en exceso decrece bruscamente.
• Concentración de CO2: Niveles altos de CO2 aumentan la productividad como ocurre en invernaderos. Si el nivel es bajo cae la fotosíntesis, debido a que la enzima RuBisCO promueve la fotorrespiración.
Según como tenga lugar este proceso existen dos tipos de plantas :
• C3 (normales),p.ej. Trigo, patata, arroz, tomate judías. • C4 (soportan bajos niveles CO2),p.ej. Maíz, caña de azúcar, sorgo, mijo.
[CO2] [CO2]
• Nitrógeno y fósforo:
Estos nutrientes son factores limitantes muy importantes. La riqueza y productividad de los ecosistemas dependen de los mecanismos de reciclado de los nutrientes.
En ecosistemas marinos son mucho más condicionantes debido a la dificultad para el reciclado.
AFLORAMIENTO
VALENCIA ECOLÓGICA: campo o intervalo de tolerancia de una especie respecto a un factor cualquiera del medio (luz, temperatura, humedad, fósforo, nitrógeno, pH, etc.), que actúa como factor limitante. Desde este punto de vista podemos considerar especies:
• EURIONICAS: Son poco exigentes respecto a los valores alcanzados por un determinado factor. Suelen ser generalistas, r estrategas. Son más tolerantes a las variaciones del medio, pero en general poco abundantes.
• ESTENOICAS: Aunque son más exigentes con un determinado factor, cuando las condiciones son las adecuadas, el número de individuos es bastante elevado. Son estrategas k, especialistas que responden de mejor forma cuando las condiciones son propicias.
Valencia ecológica de una especie de vegetal.
• Son representaciones hechas con rectángulos superpuestos de cada uno de estos niveles. Pueden ser :
• De números: Representa en número concreto de individuos concreto que se encuentran en el ecosistema, por unidad de superficie o de volumen, en un momento dado. Pueden ser invertidas.
• De biomasa: Son mucho mas representativas que las anteriores. Los escalones corresponden a las biomasas de cada categoría. Pueden ser invertidas, como ocurre cuando se muestrea un ecosistema marino inmediatamente después de un periodo de consumo máximo de los productores, por lo que estos presentan una biomasa inferior a la de otros niveles. Su existencia temporal es posible debido a la rápida multiplicación del fitoplancton.
• De energía o pirámides de producción: Representan el contenido energético de cada nivel. Siguen la regla del 10% y tienen forma de una verdadera pirámide.
PIRÁMIDES TRÓFICAS O ECOLÓGICAS
Pirámide de números
Pirámide de biomasa de un ecosistema marino
Pirámide de energía
Pirámide de biomasa de un ecosistema terrestre
LAS PIRÁMIDES TRÓFICAS
Un animal quema continuamente su suministro de combustible para realizar el trabajo de vivir. expulsando los gases de la combustión por las chimeneas de sus fosas nasales y despidiendo calorías al espació exterior en forma de calor de radiación. El animal utiliza su propia carne, reemplazando la materia consumida por medio de la ingestión de más alimentos, y quemando después la mayor parte de éstos. Este proceso de consumo de la materia por los fuegos de la vida tiene lugar en todos los niveles de las pirámides tróficas, y los fuegos se ven continuamente refrescados por las plantas sobre las que reposan las pirámides animales.
En cada nivel sucesivo de las pirámides, los animales tienen que conformarse con el combustible (alimento) que pueden arrebatarle al nivel inferior. Pero solo pueden arrancarle una fracción de lo que este nivel no haya consumido ya, y con ello, los habitantes de las capas superiores deben no sólo construir sus propios cuerpos; sino también alimentar sus vidas. Es este el motivo por el que su población es sólo una fracción de las poblaciones de los niveles tróficos inferiores, lo que viene a decir que son escasos.
Del libro ¿Por qué son escasas las fieras? Paul A. Colinvaux 1978. Pág. 28
Elementos químicos en el ecosistema. Los seres vivos están formados por elementos químicos, fundamentalmente por oxígeno, hidrógeno, carbono y nitrógeno que, en conjunto, suponen más del 95% de peso de los seres vivos. El resto es fósforo, azufre, calcio, potasio, y un largo etcétera de elementos presentes en cantidades muy pequeñas, aunque algunos de ellos muy importantes para el metabolismo. Estos elementos también se encuentran en la naturaleza no viva, acumulados en depósitos. Así, en la atmósfera hay O2, N2 y CO2. En el suelo H2O, nitratos, fosfatos y otras sales. En las rocas fosfatos, carbonatos, etc.
Transferencia cíclica de los elementos Algunos seres vivos son capaces de captarlos de los depósitos inertes en los que se acumulan. Después van transfiriéndose en las cadenas tróficas de unos seres vivos a otros, siendo sometidos a procesos químicos que los van situando en distintas moléculas.
Ciclos de los elementos – flujo de energíaLos ciclos de los elementos mantienen una estrecha relación con el flujo de energía en el ecosistema, ya que la energía utilizable por los organismos es la que se encuentra en enlaces químicos uniendo los elementos para formar las moléculas.
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS DEL C, N, P, S Y O.
• Ciclos de nutrientes gaseosos: carbono y nitrógeno
• Ciclos de ambientes sedimentario: fósforo y azufre.
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
CICLO DEL CARBONO
CO2 atmosférico
H2CO3 en agua que ataca a Carbonatos y Silicatos
RESTOS MUERTOS
CARBÓNPETRÓLEO
GAS NATURAL
PROCESOS BIOLÓGICOS
PRODUCTORES
CONSUMIDORES 1OS
CONSUMIDORES 2OS
SERES VIVOS
Fot
osí
nte
sis*
Respiración
Desforestación
Carbonización
Com
bust
ión
Erupciones
volcánicas
Equilibrio atmósfera-océano
(Difusión directa)
Dia
géne
sis
ROCAS CARBONATADAS SILICATADAS
*La fotosíntesis moviliza cada año el 5% del CO2 atmosférico.
HCO3- ,Ca2+ y
SiO2 disuelta
TEJIDOS ANIMALES ENDURECIDOS
CICLO DEL CARBONO
CICLO DEL NITRÓGENO
Desnitrificación por bacterias anaerobias
(Pseudomonas)
*Es el segundo factor limitante de la producción primaria después del fósforo, pero a diferencia de éste, hay microorganismos capaces de captarlo de la atmósfera (cianobacterias, hongos como el actinomiceto del género Frankia o géneros de bacterias Rhizobium y Azotobacter).
NO2-
Nitritos
NH4+
AmoniacoUREA
NITRATACIÓN
Nitrobacter
NITRIFICACIÓN
Nitrosomonas Bacterias
HNO3 Lluvia ácida
Fijación por microorganismos*, tormentas y por la
industria (amoniaco, abonos,…)
Descomposición, putrefacción y
amonificación por bacterias
(Clostridium)
PRODUCTORES CONSUMIDORES
Erupciones volcánicasCombustibles fósiles
NOx (todos los óxidos de nitrógeno)
Ac. NucleicosProteínas
Ac. NucleicosProteínas
N2 atmosférico
SUELO
NO3
Nitratos
CICLO DEL NITRÓGENO
GUANO
CICLO DEL FÓSFORO*
PRODUCTORES
-Ac. Nucleicos
-ATP-ADP-AMP
-Compuestos orgánicos con P
CONSUMIDORES
-Ac. Nucleicos
-ATP-ADP-AMP
-Compuestos orgánicos con P
-Esqueletos Ca 3(PO4)2
-Mineral (Apatito)
-Guano (abono)**
Procesos geológicos muy lentos (105-108 años)
Mueren y
eliminan re
stos q
ue
por la acc
ión de las b
acteria
s
Pes
caPECES
*El fósforo está en su mayor parte inmovilizado en los fondos oceánicos y constituye el principal factor limitante de la producción primaria porque su liberación depende del ciclo geológico y es muy lenta (105-108 años) . Se considera un recurso no renovable.
** Con la extracción de fosfatos en las minas y el uso del guano para fertilizantes el hombre acelera el proceso natural y la velocidad del ciclo.
SUELO Y ROCAS
SEDIMENTARIAS
FOSFATOS DISUELTOS EN EL OCÉANO
SEDIMENTACIÓNEN EL FONDO DEL
OCÉANO
AVESGUANO
FOSFATOS DISUELTOS
FOSFATOS INORGÁNICOS
afloramientos
CICLO DEL FÓSFORO
GUANO
Esquema de un afloramiento, el agua profunda asciende da la suferficie arrastrando los nutrientes que fertilizan el fitoplancton. La energía externa que lo hace posible es la del viento.
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CICLO DEL AZUFRE
H2SO4
Ácido suflúrico
SO2 Dióxido de azufre
H2S Sulfuro de hidrógeno
SUELOSO4
=
Sulfatos (yesos)
CONSUMIDORESaas
Bacte
rias
y hon
gos
Bacterias
quimiosintéticas
Bacterias
y hongos
H2SSulfuro de hidrógeno
SO2 - Dióxido de azufre
H2S - Sulfuro de hidrógeno
SO4= - Sulfato
aas - aminoácidos
DMS: dimetil sulfuro
SO3
Trióxido de azufre
ATMÓSFERA
Llu
via
áci
da
QUEMA DE COMBUSTIBLES
FÓSILES
OCÉANO
SO4=
Sulfato
H2SSulfuro de hidrogeno
aas
CARBÓN, PETRÓLEO,PIZARRAS Y OTRAS
ROCAS CON SULFUROS(Sulfuro de Fe: pirita)
PRODUCTORES
VOLCANES AGUAS TERMALES
ALGAS DMS
CICLO DEL AZUFRE
CICLO DEL OXÍGENO