biosfera i
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Tema. Biosfera I
Circulación de materia y energía
1.- DEFINICIONES PREVIAS
Los organismos viven en poblaciones que se estructuran en comunidades. El concepto de ecosistema aún es más amplio que el de comunidad porque un ecosistema incluye, además de la comunidad, el ambiente no vivo, con todas las características de clima, temperatura, sustancias químicas presentes, condiciones geológicas, etc. El ecosistema estudia las relaciones que mantienen entre sí los seres vivos que componen la comunidad, pero también las relaciones con los factores no vivos.
Biosfera es el conjunto de todos los seres vivos que habitan la TierraLos ecosistemas son sistemas complejos como el bosque, el río o el lago, formados por una trama de elementos físicos (el biotopo) y biológicos (la biocenosis o comunidad de organismos)
La ecosfera en su conjunto es el ecosistema mayor. Abarca todo el planeta y reúne a todos los seres vivos en sus relaciones con el ambiente no vivo de toda la Tierra.
El funcionamiento de todos los ecosistemas es parecido. Todos necesitan una fuente de energía que, fluyendo a través de los distintos componentes del ecosistema, mantiene la vida y moviliza el agua, los minerales y otros componentes físicos del ecosistema. La fuente primera y principal de energía es el sol.
En todos los ecosistemas existe, además, un movimiento continuo de los materiales. Los diferentes elementos químicos pasan del suelo, el agua o el aire a los organismos y de unos seres vivos a otros, hasta que vuelven, cerrándose el ciclo, al suelo o al agua o al aire.
En el ecosistema la materia se recicla -en un ciclo cerrado- y la energía pasa - fluye- generando organización en el sistema
Desde el punto de vista termodinámico la ecosfera es un sistema cerrado ( intercambia energía pero no materia)
Biomas son los diferentes ecosistemas que hay en la Tierra
Los ecosistemas se estudian analizando las relaciones alimentarias, los ciclos de la materia y los flujos de energía.
2.- RELACIONES TRÓFICAS
La vida necesita un aporte continuo de energía que llega a la Tierra desde el Sol y pasa de unos organismos a otros a través de la cadena trófica.
Las redes de alimentación (reunión de todas las cadenas tróficas) comienzan en los productores que son los organismos autótrofos ( capaces de sintetizar materia orgánica). Se dividen en
- Fotosintéticos: transforman la energía lumínica en energía química. Pertenecen a este grupo , algunas bacterias, cianobacterias, algas y plantas
- Quimiosintéticos: Utilizan la energía de reacciones de oxidación. Son principalmente bacterias
Parte de la materia orgánica sintetizada es utilizada por los propios organismo fotosintéticos para el proceso de respiración; es decir la energía es utilizada en los procesos vitales y se transforma en calor. El resto de la materia orgánica se almacena y puede ser transferida al siguiente nivel trófico
Podemos distinguir: consumidores primarios: se alimentan de los productores ( herbívoros); consumidores secundarios se alimentan de los primarios ( carnívoros) y consumidores terciarios que se alimentan de los secundarios (carnívoros finales)
El siguiente nivel corresponde a los consumidores que son una serie de organismos heterótrofos que utilizan la materia orgánica tomada directa o indirectamente de los autótrofos.
Además podemos encontrar ramificaciones en las redes tróficas; ya que existen omnívoros : que se alimentan de más de un nivel; carroñeros o necrófagos que se alimentan de cadáveres y los saprófitos o detritívoros que consumen todo tipo de restos orgánicos ( ramas, hojas, heces...)
Finalmente el último nivel de la cadena trófica corresponde a los descomponedores que transforman la materia orgánica en inorgánica para completar el ciclo de materia. Encontramos bacterias y hongos
3.- PARAMETROS TRÓFICOS
Son indicadores de la rentabilidad de un nivel trófico concreto o de todo el ecosistema
3.1 BIOMASACantidad en masa de materia orgánica viva o muerta de cualquier nivel trófico o de un ecosistema por unidad de área o volumenIndica la manera que tiene la biosfera de almacenar energía
unidades: gramos de peso fresco o seco, gramos de carbono, calorías (1g=4Kcal). Se suele referir a una superficie concreta (g/m2; g/ha; etc)
En la Geosfera la biomasa vegetal es más abundante que la animal, y entre los diferentes puntos varía mucho. En la Hidrosfera la biomasa vegetal es menor que la animal
Se pueden considerar tres tipos de biomasa:
1.-BIOMASA PRIMARIA: La producida directamente por los productores.
2.-BIOMASA SECUNDARIA: La producida por consumidores y descomponedores.
3.-BIOMASA RESIDUAL: La producida como resultado de la acción antrópica., tanto de origen primario ( serrín, paja, alpechín) o secundario ( estiércol, residuos alimenticios...)
3. 2 PRODUCCIÓNincremento de biomasa por unidad de tiempo.• nos da una idea del flujo de energía por unidad de superficie y de tiempo.• también de la biomasa consumible por un nivel trófico superior sin poner en peligro la estabilidad del ecosistema.• unidades: las de biomasa referidas a tiempo (g/m2/dia, Kcal /ha/año,
Se llama producción primaria a la energía fijada por por los organismos autótrofos y producción secundaria a la correspondiente al resto de los niveles tróficosProducción bruta (Pb) ; es la energía total fijadaProducción neta (Pn) : energía almacenada. Se obtiene de:Pn= Pb - R , siendo R lo que se gasta en la respiración
Para la producción neta ( energía almacenada) se cumple la llamada regla del 10% : La energía que pasa de un eslabón a otro en una cadena trófica es aproximadamente el 10 % de la acumulada en él
Esta regla explica el número tan reducido de eslabones en una cadena trófica
Los ecosistemas naturales de mayor producción son los arrecifes de coral, los estuarios, las zonas costeras, los bosques ecuatoriales y las zonas húmedas de los continentes.
Los menos productivos son los desiertos y las zonas centrales de los océanos.
3.3 PRODUCTIVIDAD Y TASA DE RENOVACIÓN
Productividad es la relación entre la producción y la biomasa.
p = P / B
La productividad bruta será pB = PB / B
La tasa de renovación ( turnover) es la productividad neta pN = r = PN / B
La tasa de renovación varía entre 0 y 1, e indica la producción de nueva biomasa en cada nivel trófico en relación con la existente. La tasa de renovación es en muchos casos un parámetro mucho mejor que la producción neta para valorar el flujo de energía de un ecosistema. El plancton por ejemplo tiene una producción menor que los vegetales terrestres, sin embargo tienen una mayor productividad por que su tasa de reproducción es muy alta y se renuevan muy rápidamente.
Por este motivo la biomasa que habitualmente es menor a medida que subimos en los escalones de la pirámide trófica, en este caso es al revés y la biomasa es mayor en los herbívoros que en los productoresCuando se empieza a colonizar un territorio la productividad es muy alta, a medida que el territorio se va colonizando y se alcanza la estabilidad la biomasa alcanza un valor máximo y la productividad es mínima. .
•En un cultivo agrícola la tasa de renovación sería próxima a 1. •En un pastizal sería entre 0 y 1. •En un bosque maduro sería cercana al 0. •Un pastizal tiene una estructura muy simple, el tiempo de permanencia de la biomasa es breve y su productividad es alta
cuando un ecosistema es estable y muy organizado, hay una gran cantidad de biomasa y una gran biodiversidad, pero su productividad es baja y disminuye el flujo de energía: entra mucha energía pero se gasta porque hay una gran cantidad de biomasa.
La selva tropical tiene una producción muy alta pero una productividad cercana al 0 En las explotaciones agrícolas, el ser humano extrae del ecosistema una gran parte o la totalidad de la biomasa al final de la temporada. Esto disminuye los gastos por respiración y un aumento de la productividad. Sin embargo debe reponerse al suelo la materia extraída.
3.4 TIEMPO DE RENOVACIÓNEs el tiempo que tarda un nivel trófico, o un ecosistema completo, en renovar su biomasa. tr = B / PN Es una medida del tiempo de permanencia de los elementos químicos dentro de las estructuras biológicas del ecosistema. Los productores pueden presentas dos estrategias en relación a su tr:
1.Especies rápidas. Son pequeños, de estructura y morfología simple, y con una tasa de reproducción alta. Fitoplancton 2.Especies lentas. Son de gran tamaño, estructura y morfología compleja, y una tasa de reproducción muy baja. Bosques de encinas. En los ecosistemas suelen estar presentes ambos tipos para asegurar un aporte energético suficiente al ecosistema. En un lago suele haber fitoplancton y algas más lentas. En un encinar hay también un estrato herbáceo
3.5 EFICIENCIA BIOLÓGICA Mide el rendimiento energético de un nivel trófico o de un ecosistema completo, es decir, la capacidad de incorporar materia orgánica a sus tejidos.Nos indica cuanta energía entra, se pierde o se acumula en cada nivel trófico o en un ecosistema completo. Se calcula mediante entradas y salidas: PRODUCTORES: Se puede medir la PPB mediante:energía asimilada/ energía solar incidenteLos valores son muy bajos entre el 1 y 3 %. También se puede medir la relación PN/PB. Así se calculan las pérdidas por respiración, excreción,... En el fitoplancton supone del 10 al 40 %. En vegetales terrestres el 50%
CONSUMIDORES: Se suele usar la relación: PN/alimento ingerido o Engorde/ alimento ingerido.
Las medidas de eficiencia son interesantes para valorar los ecosistemas explotados por el ser humano, siempre que se contabilicen correctamente las entradas y salidas del sistema, especialmente los INSUMOS: costes de: combustibles de las máquinas, gastos en semillas especiales, administración, vacunación.
La eficiencia puede mejorarse en la producción de alimentos acortando las cadenas tróficas. Así se aprovecha más energía que entra en el ecosistemas y se puede alimentar a mayor cantidad de individuos.
4.- PIRAMIDES TRÓFICASSon esquemas que se utilizan para representar cuantitativamente las relaciones tróficas entre los distintos niveles de un ecosistema.
Se utilizan barras superpuestas que suelen tener una altura constante y una longitud proporcional al parámetro elegido, de manera que el área representada es proporcional al valor del parámetro que se mide.
El nivel DESCOMPONEDORES no se suele representar, ya que es difícil de cuantificar.
Se suelen usar tres tipos de pirámides: 1.Pirámides de energía, 2.Pirámides de biomasa 3.Pirámides de números.
4.1 PIRÁMIDES DE ENERGÍA
Expresa el contenido energético que cada nivel trófico pone a disposición del nivel superior, es decir la producción neta de cada nivel. También se llaman PIRÁMIDES DE PRODUCCIÓN.
Las unidades se suelen expresar en: Energía (Kcal o Kjul) / unidad de superficie. Unidad de Tiempo Siempre tendrá forma decreciente hacia arriba por la Ley del 10% Proporciona información sobre el FLUJO ENERGÉTICO
4.2 PIRÁMIDES DE BIOMASA
Indican la biomasa acumulada en cada nivel trófico, expresada en: peso seco de materia orgánica / unidad de superficie o volumen o su equivalente en: energía/ unidad de superficie o volumen.
Estas pirámides se refieren a periodos de tiempo corto por lo que no informan sobre la cantidad de materia producida a lo largo del tiempo o de su velocidad de producción
Esto puede inducir a que en algunos momentos se observen PIRÁMIDES INVERTIDAS debido a que los datos se toman en un momento determinado, por ejemplo cuando los datos se toman en el momento de mayor consumo por parte de los herbívoros, como en algunos ecosistemas marinos.
Proporciona información sobre LA CANTIDAD DE MATERIA ORGÁNICA PRESENTE EN CADA NIVEL TRÓFICO y sobre LA COMPOSICIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL ECOSISTEMA
4.3.- PIRÁMIDES DE NÚMEROS
Expresan el nº concreto de individuos de cada nivel trófico por unidad de superficie o volumen. La información que proporcionan NO ES UTIL SI SE QUIEREN COMPARAR DOS ECOSISTEMAS ya que considera igual a organismos muy diferentes. ( saltamontes y vacas). En el caso de que incluyan parásitos puede dar una forma INVERTIDA.
5.- FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA
Si todos los factores y elementos de están en cantidades necesarias, excepto uno de ellos , este último que escasea se denomina factor limitante
Los principales factores limitantes son:
a) Temperatura y humedad
La eficiencia fotosintética aumenta al hacerlo ambos parámetros pero si la temperatura aumenta mucho la producción primaria decrece mucho debido a la desnaturalización de las enzimas fotosintéticas
b) Falta de nutrientes
El principal factor limitante de la producción primaria es el fósforo debido a su escasa presencia y dificultan en su obtención
En segundo lugar está el nitrógeno que sólo algunos microorganismos logran fijarlo desde la atmósfera
c) Luz y la disposición de las unidades fotosintéticas
La luz incide sobre los sistemas de captación o fotosistemas. Por ello al aumentar la intensidad lumínica se produce un incremento de la fotosíntesis hasta alcanzar un nivel determinado en el que se produce la saturación de los fotosistemas. Por ello las plantas son más eficientes con pequeñas intensidades de luz ( atardecer o amanecer)
6.- CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
6.1 Ciclo del carbono
El carbono es elemento básico en la formación de moléculas orgánicas están formadas por cadenas de carbonos enlazados entre sí.
La reserva fundamental de carbono, en moléculas de CO2 que los
seres vivos puedan asimilar, es la atmósfera y la hidrosfera. Este gas está en la atmósfera en una concentración de más del 0,03% y
cada año aproximadamente un 5% de estas reservas de CO2, se
consumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo el anhídrido carbónico se renueva en la atmósfera cada 20 años.
La vuelta de CO2 a la atmósfera se hace cuando en la respiración los
seres vivos oxidan los alimentos produciendo CO2. En el conjunto de la
biosfera la mayor parte de la respiración la hacen las raíces de las plantas y los organismos del suelo y no, como podría parecer, los animales más visibles.
Los seres vivos acuáticos toman el CO2 del agua. La solubilidad de este
gas en el agua es muy superior a la de otros gases, como el O2 o el N2,
porque reacciona con el agua formando ácido carbónico. En los ecosistemas marinos algunos organismos convierten parte del CO2 que
toman en CaCO3 que necesitan para formar sus conchas, caparazones o
masas rocosas en el caso de los arrecifes. Cuando estos organismos mueren sus caparazones se depositan en el fondo formando rocas sedimentarias calizas en el que el C queda retirado del ciclo durante miles y millones de años.
Este C volverá lentamente al ciclo cuando se van disolviendo las rocas.
Los combustibles fósiles acumulados en el suelo son resultado de épocas en las que se ha devuelto menos CO2 a la atmósfera del que
se tomaba.
6.2 Ciclo del nitrógeno
Los organismos emplean el nitrógeno en la síntesis de proteínas, ácidos nucleicos (ADN y ARN) y otras moléculas fundamentales del metabolismo. Su reserva fundamental es la atmósfera, en donde se encuentra en forma de N2, pero esta molécula no puede
ser utilizada directamente por la mayoría de los seres vivos (exceptuando algunas bacterias).
Esas bacterias y algas cianofíceas que pueden usar el N2 del aire
juegan un papel muy importante en el ciclo de este elemento al hacer la fijación del nitrógeno. De esta forma convierten el N2 en
otras formas químicas (nitratos y amonio) asimilables por las plantas.
El amonio (NH4+) y el nitrato (NO3
-) lo pueden tomar las plantas
por las raíces y usarlo en su metabolismo. Usan esos átomos de N para la síntesis de las proteínas y ácidos nucleicos. Los animales obtienen su nitrógeno al comer a las plantas o a otros animales.
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En el metabolismo de los compuestos nitrogenados en los animales acaba formándose ión amonio que es muy tóxico y debe ser eliminado. Estos compuestos van a la tierra o al agua de donde pueden tomarlos de nuevo las plantas o ser usados por algunas bacterias.
Algunas bacterias convierten amoniaco en nitrito y otras transforman este en nitrato. Una de estas bacterias (Rhizobium) se aloja en nódulos de las raíces de las leguminosas (alfalfa, alubia, etc.) y por eso esta clase de plantas son tan interesantes para hacer un abonado natural de los suelos.
Donde existe un exceso de materia orgánica en el mantillo, en condiciones anaerobias, hay otras bacterias que producen desnitrificación, convirtiendo los compuestos de N en N2, lo que hace
que se pierda de nuevo nitrógeno del ecosistema a la atmósfera.
A pesar de este ciclo, el N suele ser uno de los elementos que escasean y que es factor limitante de la productividad de muchos ecosistemas.
6.3 Ciclo del fósforo
El fósforo es un componente esencial de los organismos. Forma parte de los ácidos nucleicos (ADN y ARN); del ATP y de otras moléculas que tienen PO4
3- y que almacenan la energía química; de
los fosfolípidos que forman las membranas celulares; y de los huesos y dientes de los animales. Está en pequeñas cantidades en las plantas, en proporciones de un 0,2%, aproximadamente. En los animales hasta el 1% de su masa puede ser fósforo.
Su reserva fundamental en la naturaleza es la corteza terrestre. Por meteorización de las rocas o sacado por las cenizas volcánicas, queda disponible para que lo puedan tomar las plantas. Con facilidad es arrastrado por las aguas y llega al mar. Parte del que es arrastrado sedimenta al fondo del mar y forma rocas que tardarán millones de años en volver a emerger y liberar de nuevo las sales de fósforo.
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Otra parte es absorbido por el plancton que, a su vez, es comido por organismos filtradores de plancton, como algunas especies de peces. Cuando estos peces son comidos por aves que tienen sus nidos en tierra, devuelven parte del fósforo en las heces (guano) a tierra.
Es el principal factor limitante en los ecosistemas acuáticos y en los lugares en los que las corrientes marinas suben del fondo, arrastrando fósforo del que se ha ido sedimentando, el plancton prolifera en la superficie
6.4 Ciclo del azufre
Su reserva fundamental es la corteza terrestre y es usado por los seres vivos en pequeñas cantidades. La actividad industrial del hombre esta provocando exceso de emisiones de gases sulfurosos a la atmósfera y ocasionando problemas como la lluvia ácida.
