unidad 4: circulación de materia y energía en la biosfera

Unidad 4: Circulación de materia y energía

en la biosfera.

BIOSFERA.

Retiene la energía el mayor tiempo posible en sus estructuras, antes de que la energía se disipe en forma de calor.

Los descomponedores reciclan la materia.

En los ciclos biogeoquímicos, la materia que sale de la biosfera recorre otros sistemas terrestres (atmósfera, hidrosfera, geosfera).

Conjunto de todos los seres vivos que habitan la Tierra. Área ocupada por materia viva.Es un sistema abierto: intercambia materia y energía con el entorno.

ECOSISTEMA.

Sistema natural formado por componentes vivos y no vivos que interactúan entre sí.

ECOSISTEMA = COMUNIDAD O BIOCENOSIS + BIOTOPO(parte biótica) (parte

abiótica)

ECOSFERA: Conjunto de todos los ecosistemas de la Tierra. La biosfera sería su biocenosis. Es un sistema cerrado para la materia y abierto para la energía.

BIOMAS.

Son los grandes ecosistemas de la Tierra.

Tundra, taiga, bosque caducifolio, vegetación mediterránea o esclerófila, estepas y praderas, sabana, selva tropical y desierto.

Relaciones tróficas. Transferencia de energía.

Hay 3 niveles tróficos:1º: Productores. Autótrofos.2º: Consumidores. Heterótrofos.3º: Descomponedores. Detritívoros saprofitos.

1º: Productores (autótrofos).

Fotosíntesis: 6 CO2 + 6 H2O + E solar 6 O2 + C6H12O6

La materia orgánica que producen con la fotosíntesis:• La degradan respirando:

6 O2 + C6H12O6 6 CO2 + 6 H2O + calor• La almacenan en tejidos vegetales (que se comerán los

consumidores).

Incluye dos tipos de organismos: Fotosintéticos: la energía es solar. Plantas y fitoplancton.Quimiosintéticos: la energía viene de oxidar moléculas inorgánicas.

2º: Consumidores (heterótrofos).

Tipos: Herbívoros o

consumidores primarios Carnívoros o

Consumidores secundarios Carnívoros finales Omnívoros, que se

alimentan de más de un nivel trófico

Carroñeros o necrófagos.

Respiran la materia orgánica producida por los autótrofos.

2º: Consumidores (heterótrofos).

El flujo de energía es unidireccional. Va disminuyendo porque se degrada en la respiración y se desprende como calor (en el mantenimiento).

Energía entrante = Energía almacenada + Energía saliente(solar o alimento) (m.o.) (calor)

Esta disminución de la energía en las cadenas tróficas es lo que hace que como máximo suela haber 5 eslabones tróficos.

3º: Descomponedores (Detritívoros saprofitos).

Transforman la materia orgánica en moléculas sencillas inorgánicas (que puedan utilizar los fotosintéticos).

Son bacterias y hongos del suelo y el agua. Reciclan la materia.

El ciclo de la materia tiende a ser cerrado (aunque pueden escapar nutrientes por gasificación o lixiviado, o enterrarse en condiciones anaerobias).

El flujo de la energía mueve el ciclo de la materia (son parecidos los recorridos de la energía y de un átomo de C).

Parámetros tróficos.

Sirven para evaluar la rentabilidad tanto de un solo nivel trófico como de un ecosistema completo.

Estudiaremos 5 parámetros:1. Biomasa. (Capital).2. Producción. (Intereses).3. Productividad. (Tasa de

renovación).4. Tiempo de renovación.5. Eficiencia.

(Salidas/Entradas).

1. Biomasa. (=Capital).

Cantidad de materia orgánica (viva o muerta) de un nivel trófico o ecosistema.

Sirve de almacén de energía. Unidades: g, kg, mg. (1g de m.o. ~ 4-5 kcal).Se suele indicar la cantidad de m.o./área o volumen: g C/cm2; kg C/m2; t C/ha; (1ha = 1 hm2).

2. Producción. (=Intereses).

Cantidad de energía que fluye por cada nivel trófico. Unidades: g C/m2·día; Kcal/ha·año…Puede ser:

Producción primaria fijada por autótrofos. Producción secundaria resto de niveles tróficos.

2. Producción. Ambos tipos de producción, a su vez, pueden ser:• Producción bruta: cantidad de energía fijada/tiempo. Por

ejemplo: total fotosintetizado o total asimilado.• Producción neta: cantidad de energía almacenada/tiempo.

Es el aumento de biomasa (descontando la respiración), que queda disponible para el siguiente nivel trófico.

Producción bruta = Producción neta + Respiración (mantenim.)

2. Producción.

La regla del 10% dice que la energía que pasa de un eslabón a otro es el 10% de la energía acumulada en él. (No es constante el %).

Por eso hay pocos eslabones.

Regla del 10%

Actividad:

¿Por qué los árboles crecen más rápido en los primeros años de vida?

Porque cuanto mayor sea su cantidad de biomasa, deben dedicar más energía a su mantenimiento (y menos a producir nuevas estructuras).

¿Cuál de los dos tiene mayor producción neta, una planta de trigo o un árbol?

El árbol tiene mayor producción neta total (es más grande).

Actividad: ¿Son comparables equitativamente las producciones

netas de la planta y el árbol?No, pues sería como comparar el número total de parados en

EEUU y en España. El dato que debemos comparar es la tasa de paro:

Tasa de paro = nº parados/población.Para comparar las producciones las dividimos por su biomasa,

con lo que obtenemos un nuevo parámetro, la productividad.Productividad = Producción neta/Biomasa El trigo tiene mayor productividad.

3. Productividad. (Tasa de renovación).

Es la relación entre la producción neta y la biomasa.PRODUCTIVIDAD = PRODUCCIÓN NETA/BIOMASAIndica la velocidad de renovación de la biomasa. Es mayor

cuanto más joven sea el organismo.Sus unidades son: tiempo-1

Pneta (g/m2·día) / Biomasa (g/m2) = días-1

La productividad es mayor en una pradera que en una selva.

4. Tiempo de renovación.

Período que tarda en renovarse un nivel trófico o sistema. Es la inversa de la productividad.

TIEMPO DE RENOVACIÓN = BIOMASA/PRODUCCIÓN NETATIEMPO DE RENOVACIÓN = PRODUCTIVIDAD-1 Sus unidades son: tiempo (días, años…)

5. Eficiencia. (Salidas/Entradas).

En consumidores se calcula: Eficiencia = Pneta /Alimento total

ingerido. Sería equivalente al parámetro

que se emplea en ganadería: engorde/alimento ingerido.

Rendimiento de un nivel trófico o sistema. En productores, puede calcularse de dos formas:Para la producción bruta: Eficiencia = E asimilada/E incidente Para la producción neta, mide las pérdidas por respiración, y es mayor en los ecosistemas terrestres: Eficiencia = Pneta (E incorporada)/Pbruta (E total asimilada)

Eficiencia ecológica (%).Eficiencia ecológica = (Pneta/Pneta (nivel anterior)) · 100No se deben valorar sólo los resultados (ej. total cosecha),

sino considerar todas las entradas de materia y energía (ej. abonos, energía para arar y cosechar…) es decir, los costes ocultos.

Según el aprovechamiento energético y la regla del 10%, es más eficiente alimentarse de vegetales: se aprovecha más la energía y se puede alimentar a mayor número de individuos. (Aunque para una alimentación completa hacen falta 60 g proteínas/día, según la FAO).

Bioacumulación.

Proceso de acumulación de sustancias tóxicas (metales pesados o compuestos orgánicos sintéticos) en organismos vivos en concentraciones cada vez mayores y superiores a las registradas en el medio ambiente.

Las sustancias ingeridas no pueden ser descompuestas ni excretadas.

Actividad: Comparación entre una pradera y un bosque tropical.

Ecosistema Producción bruta gC/m2

Biomasa kgC/m2

Respiración (mantenim) gC/m2·día

Producción neta (PB-R) gC/m2·día

Productividad (PN/B) días -1

Pradera 4 2 2 4-2=2 2/2000=0,001

Bosque tropical

6,5 18 6 6,5-6=0,5 0,5/18000= 0,0000277

Es mucho mayor la producción neta de la pradera, porque tiene que mantener menor cantidad de biomasa.La pradera tiene mayor productividad (0,001 días-1), lo que indica que su tiempo de renovación es menor (1000 días) que en el bosque (36000 días). Por eso supone menor deterioro aprovecharla para la alimentación que el bosque, que tardaría mucho más tiempo en recuperarse.

Pirámides ecológicas.

Hay tres tipos:1. Pirámides de energía.2. Pirámides de biomasa.3. Pirámides de números.

Visualización de las cadenas tróficas.Son barras horizontales de altura constante y longitud proporcional al parámetro medido (energía acumulada, biomasa, número de individuos…)

1. Pirámides de biomasa.

Pueden ser: verdaderas pirámides (ecosistemas terrestres) o pirámides invertidas (ecosistemas marinos).

1. Pirámides de biomasa.

En los ecosistemas marinos los productores tienen gran tasa de renovación (=productividad) o, lo que es lo mismo, un tiempo de renovación breve.

Esto permite mantener a un eslabón superior mayor.

La productividad no depende solo de la biomasa, sino también de la renovación de ésta (en el dibujo, de la velocidad a la que gira el cilindro).

2. Pirámides de energía.

Tienen forma de pirámide: siguen la regla del 10%. Unidades: kJ/m2·año; Kcal/m2·año. La energía acumulada por los descomponedores no

figura, pues es difícil de medir: no se ven, no se pueden contar y se reproducen rápido.

3. Pirámides de números.

Recuento del número total de individuos de cada nivel.

Pueden ser engañosas pues a veces son invertidas (por ej. un vegetal con muchos pulgones en él).

Actividad: Comparación entre un cultivo, un bosque y el océano.

¿En qué eslabón se acumula mayor cantidad de biomasa?

En los ecosistemas terrestres (cultivo y bosque) hay más biomasa en los productores y en el ecosistema marino (océano) hay más biomasa en los consumidores.

Los humanos nos alimentamos de productores en terrestres y de consumidores en marinos, que son los eslabones donde se acumula más biomasa.

Actividad: Bahía japonesa de Minamata, 1950. Trastornos del SN y muertes en familias de pescadores

y en gatos. Causa: vertidos de Hg al mar.

Fitoplancton Zooplancton Crustáceos Cefalópodos Humanos

Peces pequeños

Peces grandes

Gatos

Cadena trófica de transmisión del Hg:

Bioacumulación.

¿Por qué son los niveles tróficos superiores los más afectados por bioacumulación?

Al vivir más tiempo, ingieren más cantidad.

Al alimentarse de gran cantidad de individuos, ingieren todo el Hg que tenían todos esos individuos.

El Hg no se puede excretar, se queda en los tejidos, y a partir de cierto nivel es tóxico.

Factores limitantes de la producción primaria.

Factor ecológico: magnitud ambiental que varía y afecta a los seres vivos (si es constante no es un factor ecológico, por ej. la gravedad).

Ejemplos: temperatura, luz, pH, salinidad, humedad, nutrientes, espacio…

Ley del mínimo (Liebig): el crecimiento está limitado por la ausencia del único elemento que está en cantidad inferior a la mínima necesaria. Se le llama factor limitante.

1. Temperatura y humedad.

La principal enzima es la Rubisco (Ribulosa 1,5 bis P carboxilasa-oxidasa), que tiene una doble actividad:

• Fotosíntesis (carboxilación), cuando la [CO2] es normal.• Fotorrespiración (oxidación), cuando la [CO2] es baja.

La fotorrespiración resta eficiencia fotosintética (-30%-50%).

La actividad fotosintética aumenta al aumentar la temperatura y al aumentar la humedad. Pero si la temperatura aumenta demasiado, la fotosíntesis decrece bruscamente, al desnaturalizarse los enzimas.


Esto ocurre en la mayoría de las plantas, las llamadas C3.

Es un problema cuando el clima es caluroso y seco.

Hay dos posibles soluciones: Plantas C4 y plantas CAM.

Pérdidas de agua:Cuando se abren los estomas para que entre CO2 también puede salir agua. Durante el día (cuando la temperatura es más alta) se pierde agua al abrir los estomas para hacer la fotosíntesis.


Plantas C4 maíz, caña de azúcar, mijo, sorgo. Son de climas calurosos y soleados. Pueden acumular CO2 en las hojas gracias a su estructura interna foliar. Así consiguen que la Rubisco tenga siempre alta [CO2] y no pierden eficiencia con la fotorrespiración.

Plantas CAM cactus, crasuláceas. (Desérticas). Absorben el CO2 y lo fijan en forma de ácidos, para gastarlo en la fotosíntesis de día (pueden realizarla con los estomas cerrados).

1. Temperatura y humedad.Temperaturas frías (inviernos largos y rigurosos):• Predominio de herbáceas anuales (pasan el invierno como

semillas).• Desarrollo de estructuras subterráneas (bulbos,

tubérculos…)• Existencia de un fotoperíodo (época de máximo

desarrollo).

2. Falta de nutrientes.

El CO2 no es un factor limitante, pues está en la atmósfera.El P es el principal factor limitante de la producción primaria.El N es el 2º factor en importancia. Cuando falta aparecen

microorganismos fijadores del N2 atmosférico.Para reciclar nutrientes el principal problema es la distancia

entre el lugar de producción de la materia orgánica y el lugar de su degradación.

Se gasta energía externa en transportar los nutrientes de vuelta a las zonas de producción. Esta energía externa puede ser natural (vientos, ciclo del agua…) o artificial (fertilizantes).

Nódulos de Rhizobium en raíces de leguminosas

2. Falta de nutrientes.En ecosistemas acuáticos esta

distancia es mayor: la fotosíntesis ocurre en la superficie del agua y en el fondo tiene lugar la degradación de m.o.

Los nutrientes: • ascienden en zonas de

afloramiento (corrientes verticales),

• llegan por aportes continentales (ríos) o

• llegan por corrientes superficiales marinas.

En ecosistemas terrestres la distancia es pequeña: de la copa del árbol al suelo. Sólo puede llegar a ser más grande por lixiviado o por explotación humana.

Actividad: Zona de afloramiento en la costa de Perú.

Nivel trófico de los seres vivos de la figura:

• Productores: fitoplancton.• Consumidores primarios:

zooplancton; secundarios: anchovetas; terciarios: atunes y aves marinas.

• Descomponedores: bacterias.

Es una zona de afloramiento a consecuencia del vacío de agua que generan los alisios. Estos vientos también arrastran las nubes hacia el océano, por lo que la costa peruana es árida y seca.


Bucle de retroalimentación +.

El bucle es positivo y la pesca no decae por el aporte extra de nutrientes por el afloramiento.

Esto permite que se pueda seguir extrayendo energía del sistema, en forma de alimentos.

¿Por qué es alta la productividad en este lugar?Porque hay energía externa (el viento), que acerca los nutrientes desde el fondo marino hasta la zona iluminada, donde ocurre la fotosíntesis.


¿Por qué la costa es árida?Los vientos alisios, además de generar la corriente marina

superficial que provoca el afloramiento, también se llevan las nubes hacia el oeste del Pacífico, dejando una zona sin humedad.

¿Qué otras zonas de la Biosfera (en todo el planeta) son también de afloramiento?

Son zonas situadas al lado de grandes desiertos: California, Atacama, Sahara, Namibia.


¿Qué ocurriría si amainasen los alisios? ¿Qué pasaría con la pesca?

Si no hay alisios, las nubes se quedan ahí y lloverá en las costas de Perú. Es el fenómeno de El Niño (u Oscilación Meridional), en el que se caldea el agua superficial y se forma una borrasca. Ocurre cada 3-5 años y dura 18 meses, teniendo su máximo en Navidad, de donde le viene el nombre.

Por otra parte, se acabaría el afloramiento, lo que reduciría la cantidad de fitoplancton y de peces.

3. Luz (disposición de las unidades fotosintéticas).

La luz llega a los fotosistemas (en los cloroplastos), que tienen:

• Muchas moléculas captadoras (clorofilas, carotenos), que actúan de antena.

• Un solo centro de reacción (molécula de clorofila especial).

Al aumentar la intensidad de la luz, aumenta la fotosíntesis, hasta que se satura. En este momento están ocupados todos los centros de reacción.

Además, los sistemas de captación se hacen sombra unos a otros.

Actividad: Bancos pesqueros de Terranova, Canadá.

Plataforma costera de poca profundidad donde chocan las corrientes fría del Labrador con la cálida del Golfo. Allí se concentran grandes cantidades de capellinos (~sardinas).

¿Hay factores limitantes de la producción primaria?

No hay factores limitantes, pues hay energías externas:

• Oleaje que agita los fondos (por tener poca profundidad).

• Aportes fluviales ricos en nutrientes.

• Choque de corrientes de distinta temperatura.

• La escasa profundidad hace que haya luz suficiente para la fotosíntesis.

Actividad: Bancos pesqueros de Terranova, Canadá.

Cadena o red trófica, con las relaciones causales. Aves (Gaviotas, alcatraces)

Fitoplancton Zooplancton Capellinos Peces (Bacalao) Mamíferos (Focas, ballenas)

¿Qué problemas supone la pesca excesiva?La sobrepesca lleva a la esquilmación de la fauna marina; por lo que es

insostenible. ¿Qué medidas se deben tomar para paliar la situación de

sobrepesca?No pescar a un ritmo mayor que el tiempo de regeneración (Reglas de

Herman Daly o Principios del Desarrollo Sostenible).

CICLOS BIOGEOQUÍMICOS.

Es el recorrido que hace la materia desde que sale de la biosfera (hacia la atmósfera, hidrosfera, litosfera…) hasta que vuelve de nuevo a la biosfera.

A los lugares en los que permanece mucho tiempo se les llama sumideros, almacenes o reservas.

Estos ciclos tienden a ser cerrados, pero las actividades humanas los aceleran, y pueden desestabilizar sus bucles de regulación.

Ciclo del C.

• Biosfera: Biomasa llega por fotosíntesis.• Geosfera: Rocas silicatadas y carbonatadas llega gracias a la

precipitación de restos de seres vivos en el fondo marino. Combustibles fósiles llega por transformaciones anaerobias de la biomasa.

• Hidrosfera: Disuelto (como carbonatos y silicatos) entra por difusión directa y se transforma en H2CO3.

• Atmósfera: CO2 por erupciones volcánicas, combustión (combustibles fósiles), descomposición aeróbica, respiración, incendios forestales. CO por combustión incompleta (falta de O2 suficiente al quemarse). CH4 por quema de bosques, suelos inundados, ganadería intensiva, escapes de pozos petrolíferos, vertederos de basura.

Actividad:¿En qué forma está el C en cada uno de los subsistemas terrestres y cómo llegó a cada uno de ellos?

Ciclo del C. ¿Cómo afecta la cantidad de CO2 atmosférico a la

temperatura terrestre?Cuánto más CO2 esté en otros lugares y menos en la atmósfera,

menor será el efecto invernadero. (se reducirá la temperatura). Señala todas las intervenciones humanas sobre el ciclo

del C y sus consecuencias.• Quema de biomasa, incendios.• Deforestación, que reduce la fotosíntesis.• Al aumentar la temperatura, se disuelve menos en agua.• Quema de combustibles fósiles.La principal consecuencia es que aumenta el efecto invernadero y

con ello aumenta la temperatura media terrestre. El CO2 se disuelve mejor en el agua fría, ¿qué efecto

tendrá un calentamiento del agua?Dejaría de admitir más CO2 el océano, y liberaría parte de que

tiene ahora disuelto. Sería una realimentación positiva del efecto invernadero.

Ciclo del P.

Ciclo del P.

El P es el principal factor limitante de la fotosíntesis. Las principales causas de la escasez del P son:

• No tiene fase gaseosa (no se puede tomar libremente de la atmósfera).

• Muchos fosfatos son poco solubles, por lo que no están disponibles para las plantas.

• Se libera muy lentamente de las rocas por meteorización (la mayoría está en sedimentos oceánicos y rocas sedimentarias).

Es necesario para los seres vivos. Se encuentra:• Como fosfatos: en el esqueleto de vertebrados y disuelto en

el líquido intra- y extracelular (regulando el pH).• Forma parte de moléculas orgánicas esenciales: ATP, ADN,

ARN.

Efecto de algunas actividades humanas sobre el ciclo del P:• Pesca: (es parecido al efecto de las aves marinas) Traslada P al

continente desde el mar, con lo que retrasa su precipitación a los fondos marinos.

• Abuso de fertilizantes químicos y uso de detergentes con fosfatos: aceleran el ciclo, pues el arrastre por lavado y su transporte por las alcantarillas favorecen su llegada al mar y su precipitación en el fondo marino.

Los procesos naturales que retardan su precipitación son:•Afloramiento desde las aguas profundas.•Oleaje de fondos costeros.•Aves marinas (llevan P del mar al continente).

Ciclo del P.

Ciclo del N.

En tormentas, volcanes y combustiones, se forman óxidos de nitrógeno (NOx) a partir del N2 y el O2. Después caen junto con el agua al suelo como HNO3 (lluvia ácida), donde formará el NO3- que toman las plantas.

La mayoría del N que usan las plantas viene de la descomposición de la materia orgánica, por las bacterias nitrificantes:NH3 (seres vivos) NO2- NO3- (abono plantas)

Nitrosomonas Nitrobacter Las bacterias desnitrificantes actúan en condiciones anaerobias

(encharcamiento o pisoteo). Transforman los nitratos en N2, que escapa a la atmósfera y se empobrece el suelo.

Ciclo del N.

Abunda en la atmósfera (78%), pero casi ningún organismo puede tomarlo del aire, sólo las bacterias fijadoras de N: Azotobacter (suelo), cianobacterias (fitoplancton), Rhizobium (simbionte de leguminosas) y el hongo Frankia.

Ciclo del N.Hay actividades humanas que afectan al ciclo del N:• Combustión a altas temperaturas provoca la reacción del O2 y el

N2 del aire, formando NO2 que se libera a la atmósfera. Allí, junto con el agua, formará el ácido nítrico de la lluvia ácida.

• El proceso de fijación industrial para fabricar fertilizantes (método de Haber-Bosch).

• El abonado excesivo de los cultivos hace que se libere N2O a la atmósfera (que aumenta el efecto invernadero). También las plantas pueden crecer demasiado y acabar con otros nutrientes del suelo más escasos, con lo que el suelo se empobrece. Por lixiviado también podría llegar a otros lugares donde provocaría eutrofización

Actividad: ¿Cómo afectan al ciclo del N las siguientes actividades?

• El exceso de riego.Fomenta las condiciones anaerobias, que favorecen la acción de las

bacterias desnitrificantes (que empobrecen el suelo).• El abuso de transporte privado.Aumentan las emisiones de óxidos de nitrógeno (que provocan la

lluvia ácida).

Actividad: Indica todos los tipos de fijación del nitrógeno atmosférico.

La fijación del nitrógeno atmosférico consiste en pasar el N2 a una forma utilizable por las plantas.

• Natural: fijación atmosférica (en tormentas) y fijación biológica (por Rhizobium, cianobacterias…)

• Artificial: fijación industrial (método de Haber-Bosch) y combustión a altas temperaturas en el interior de los motores N2 + O2 NO2.

Ciclo del S.

SUELO: • Llegan al suelo con la lluvia ácida o como yesos (las rocas evaporitas

que se forman en mares poco profundos). • Se pierden por lixiviado.BIOSFERA: • Las plantas, bacterias y hongos los incorporan como sulfatos y los

reducen a SO3 y H2S. • Al morir los seres vivos, en su descomposición se libera ácido

sulfhídrico a la atmósfera o al suelo.

Ciclo del S

Ciclo del S.OCÉANOS PROFUNDOS Y LUGARES ANAEROBIOS:La principal reserva de S son los océanos (donde está como sulfato).Llega por lixiviado y por lluvia ácida. Además, las bacterias

sulforreductoras transforman el sulfato en ácido sulfhídrico, y liberan oxígeno. Este sulfhídrico puede:– precipitar como pirita (desde donde saldrá por volcanes o al

quemar combustibles fósiles)– llegar a zonas aerobias y volver a oxidarse a sulfatos.

Desde los océanos se pierde como sulfatos (sal marina arrancada por el viento) y como ácido sulfhídrico transformado por las algas DMS, que hacen que pase a la atmósfera.

ATMÓSFERA:• Recibe el S de diversas formas: por volcanes (H2S, SO2, SO4

-2); por la industria (SO2); como sulfatos marinos levantados por el viento; desprendido en las putrefacciones (H2S); por las algas DMS (SO4

-2 H2S).• Se pierden los sulfatos con la lluvia (ácida).

unidad 4: circulación de materia y energía en la biosfera

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