55. Ecosistemas y la biósfera PDF

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Summary

La biósfera o biosfera​ es el sistema formado por el conjunto de los seres vivos del planeta Tierra y sus interrelaciones.​ Este significado de «envoltura viva» de la Tierra, es el de uso más extendido, pero también se habla de biósfera, en ocasiones, para referirse al espacio dentro del cual se des...

Description

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Ecosistemas y la biosfera

Michael Stubben/Visuals Unlimited

Estanque de castor. Los castores construyeron una presa con ramas y lodo (extremo lejano del estanque), transformando un pequeño arroyo en un estanque. Fotografiado en Shingle Creek, Utah.

CONCEPTOS CLAVE 55.1 El estudio del contenido de energía de los diferentes niveles tróficos aporta conocimiento sobre cuánta energía fluye a través de los componentes bióticos y abióticos de los ecosistemas.

55.2 Carbono, nitrógeno, agua y otros materiales circulan por las partes biótica y abiótica de los ecosistemas.

55.3 El ambiente abiótico, que incluye la radiación solar, la atmósfera, el océano, el clima y el fuego, ayuda a configurar la porción biótica de los ecosistemas.

55.4 Los ecólogos en ecosistemas se enfocan en los procesos químicos, físicos y biológicos de los ecosistemas a fin de aprender cómo funcionan éstos.

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C

asi aislado por completo de todo en el universo, excepto de la luz del Sol, el planeta Tierra ha sido comparado a menudo con una gran nave

espacial cuyo sistema de sostén de la vida consta de las comunidades de organismos que la habitan, más la energía del Sol. Estos organismos producen oxígeno, traspasan energía y reciclan agua y minerales (nutrientes inorgánicos) con bastante eficacia. Sin embargo, ninguno de estos procesos ecológicos sería posible sin el ambiente abiótico (inerte) de la nave espacial Tierra. En la medida en que el Sol calienta el planeta, alimenta el ciclo hidrológico (ocasiona precipitación), activa las corrientes del océano y los patrones de circulación atmosférica, y en buena medida produce el clima al que se han adaptado los organismos. El Sol también suministra la energía que casi todos los organismos usan para llevar a cabo procesos de vida.

Las comunidades individuales y sus ambientes abióticos son ecosistemas, que son las unidades básicas de la ecología. Un ecosistema abarca todas las interacciones entre los organismos que viven juntos en un sitio particular, y entre dichos organismos y sus ambientes abióticos. La ecología del ecosistema es un subcampo de la ecología que estudia el flujo de energía y el reciclaje de productos químicos entre las partes biótica y abiótica que interactúan en un ecosistema. Las interacciones de un ecosistema son complicadas porque cada organismo responde no sólo a los otros organismos, sino a condiciones en la atmósfera, el suelo y el agua. A su vez, los organismos ejercen un efecto en el ambiente abiótico, como cuando una presa hecha por castores crea un estanque en una zona que antes era forestal (vea la fotografía). El estanque se forma a medida que el castor construye un refugio seguro contra los depredadores. Sin embargo, la presa del castor también regula el flujo de agua hacia la corriente o río; retiene agua durante los períodos de lluvia y libera una cantidad controlada de agua a lo largo del año, incluso durante períodos de sequía. Así como las comunidades, los ecosistemas varían en tamaño, carecen de límites precisos y están alojados en ecosistemas más grandes. El ecosistema más grande de la Tierra es la biosfera, que consta de todas las comunidades de la Tierra y sus interacciones y relaciones con el ambiente abiótico del planeta: su agua, suelo, rocas y atmósfera.

PU N TO CLAVE

55.1 FLUJO DE ENERGÍA A TRAVÉS DE LOS ECOSISTEMAS OBJETIVOS DE APRENDIZAJE 1 2 3

Resumir el concepto de flujo de energía a través de una red alimentaria. Explicar pirámides usuales de números, biomasa y energía. Distinguir entre productividad primaria bruta y productividad neta primaria.

El paso de energía en una dirección a través de un ecosistema se denomina flujo de energía. La energía entra en un ecosistema como energía radiante (luz solar), de la cual una pequeña porción (menos de 1%) es atrapada y usada por los productores durante la fotosíntesis. La energía, ahora en forma química, es almacenada en los enlaces de moléculas orgánicas (que contienen carbono) como la glucosa. Cuando la respiración celular descompone estas moléculas, la energía se vuelve disponible (en forma de ATP) para realizar trabajo, como reparar tejidos, producir calor corporal, moverse o reproducirse. A medida que se realiza trabajo, la energía escapa del organismo y se disipa en forma de calor. Finalmente, esta energía calorífica se irradia hacia el espacio. Así, una vez que un organismo ha usado energía, ésta deja de estar disponible para su reutilización (FIGURA 55-1). (Vea también el análisis de la segunda ley de la termodinámica en el capítulo 7). En un ecosistema, el flujo de energía ocurre en cadenas alimentarias, en las que la energía pasa de un organismo al siguiente en una

Los ecólogos adquieren conocimientos sobre la manera en que funcionan los ecosistemas al analizar el flujo de energía y el contenido de energía de cada nivel trófico.

Calor

Calor

Calor

Calor

Calor

Primer nivel trófico: productores

Segundo nivel trófico: consumidores primarios

Tercer nivel trófico: consumidores secundarios

Cuarto nivel trófico: consumidores terciarios

Descomponedores (saprótrofos)

Energía proveniente del Sol

FIGURA 55-1 Animada Flujo de energía a través de ecosistemas La energía entra en los ecosistemas desde una fuente externa (el Sol) y sale como pérdida de calor.

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secuencia. Los productores primarios, también denominados autó- de cadenas alimentarias interconectadas, es un modelo más real del flujo de trofos, o simplemente productores, constituyen el principio de la ca- energía y materiales a través de los ecosistemas (FIGURA 55-2). dena alimentaria al capturar la energía solar mediante la fotosíntesis. Las redes alimentarias están divididas en niveles tróficos (del Los productores, al incorporar a su propia biomasa (materia viviente) griego tropho, que significa “nutrimento”). Los productores (organismos los productos químicos que elaboran, se vuelven recursos alimentarios que realizan la fotosíntesis) ocupan el primer nivel trófico; los consupotenciales para otros organismos. Las plantas son los productores más midores primarios, el segundo; los consumidores secundarios (carnívoimportantes en la tierra, mientras las algas y las cianobacterias son pro- ros), el tercero, y así sucesivamente (vea la figura 55-1). ductores importantes en ambientes acuáticos. Debido a que las cadenas y redes alimentarias son descripciones de Todos los otros organismos en una comunidad son consumidores, “quién se come a quién”, indican los efectos negativos que los depredatambién denominados heterótrofos, que extraen energía de las moléculas dores tienen sobre su presa. Por ejemplo, considere una simple cadena orgánicas producidas por otros organismos. Los herbívoros son consumidores que comen plantas, de las PU N TO CLAVE En las cadenas alimentarias de todos los ecosistemas, excepto en los más simcuales obtienen la energía química deples, es demasiado complicado describir todas las especies y relaciones presentes en la realidad. Los diagramas de redes alimentarias rara vez toman en cuenta rivada de las moléculas de los producque algunos vínculos son intensos y otros son débiles. Además, las cadenas tores y los materiales de construcción alimentarias cambian con el tiempo, con adiciones y eliminaciones de vínculos. que usan para generar sus propios tejidos. Los herbívoros son, a su vez, devorados por carnívoros, que cosechan la energía almacenada en las moléculas de los herbívoros. Otros consumidores, llamados omnívoros, comen una variedad de organismos, tanto vegetales como animales. Algunos consumidores, denominados consumidores de detritus o detritívoros, comen detritos, que es materia orgánica muerta que incluye cadáveres, hojarasca y heces. Los consumidores de detritos y los descomponedores microbianos destruyen organismos muertos y productos de desecho. Los descomponedores, también denominados saprótrofos, incluyen heterótrofos microbianos que se abastecen de energía al descomponer las moléculas orgánicas en los restos (cadáveres y desechos corporales) de todos los miembros de la cadena alimentaria. En términos generales liberan moléculas orgánicas simples, como bióxido de carbono y sales minerales, que pueden ser reutilizadas por los productores. La mayoría de las bacterias y hongos son descomponedores importantes. Las cadenas alimentarias simples como la que se acaba de describir ocurren rara vez en la naturaleza porque pocos organismos comen sólo un tipo, o son devorados por un solo tipo, de organismo. Más a menudo, el flujo de energía y materiales a través de los ecosistemas se lleva a cabo en concordancia con un intervalo de opciones alimentarias para cada organismo. En un ecosistema de FIGURA 55-2 Animada Una cadena alimentaria en la frontera de un bosque complejidad promedio son posibles caducifolio oriental cientos de vías alternativas. Así, una Este diagrama está bastante simplificado comparado con lo que en realidad ocurre en la naturaleza. red alimentaria, que es un complejo 1198

Capítulo 55

alimentaria: hierba ¡ ratón de campo ¡ búho. El búho, que mata y come ratones, obviamente ejerce un efecto negativo sobre la población de ratones; de manera semejante, el ratón de campo, que come semillas de la hierba, reduce la población de ésta. Un nivel trófico en una red alimentaria también influye en otros niveles tróficos con los que no está relacionado directamente. Los productores y los carnívoros superiores no ejercen efectos directos entre sí; sin embargo, cada uno afecta indirectamente al otro. En el presente ejemplo, el búho ayuda a la hierba al mantener bajo control la población de ratones que comen semillas. En forma semejante, la hierba beneficia a los búhos al mantener una población de ratones de la que se alimenta la población de búhos. Estas interacciones indirectas pueden ser tan importantes en la dinámica de una red alimentaria como las interacciones directas depredador-presa. La cuestión más importante por recordar sobre el flujo de energía en los ecosistemas es que es lineal, o unidireccional. Es decir, la energía se desplaza a lo largo de una red alimentaria de un nivel trófico al siguiente. Sin embargo, una vez que un organismo ha usado energía, la pierde en forma de calor y deja de estar disponible para cualquier otro organismo en el ecosistema.

Las pirámides ecológicas ilustran la manera en que trabajan los ecosistemas Algunas veces los ecólogos comparan los niveles tróficos al determinar el número de organismos, la biomasa, o la energía relativa encontrada en cada nivel. Esta información se presenta gráficamente como pirámides ecológicas. La base de cada pirámide ecológica representa a los productores, el siguiente nivel son los consumidores primarios (herbívoros), el nivel arriba de éste son los consumidores secundarios (carnívoros) y así sucesivamente. El área relativa de cada barra de la pirámide es proporcional a lo que se está demostrando. Una pirámide de números muestra el número de organismos en cada nivel trófico en un ecosistema dado, donde una mayor área ilustra números más grandes para esa sección de la pirámide. En la mayoría de las pirámides de números, menos organismos ocupan cada nivel trófico sucesivo. Así, en los pastizales africanos el número de herbívoros, como cebras y ñus, es mayor que el número de carnívoros, como leones. Las pirámides de números invertidas, en las que los niveles tróficos superiores tienen más organismos que los niveles tróficos inferiores, a menudo se observan entre descomponedores, parásitos e insectos herbívoros.

Saprótrofos (10)

Un árbol proporciona alimento para miles de insectos que comen hojas, por ejemplo. Las pirámides de números son de utilidad limitada porque no indican la biomasa de los organismos en cada nivel ni la cantidad de energía transferida de un nivel a otro. Una pirámide de biomasa ilustra la biomasa total en cada nivel trófico sucesivo. La biomasa es una estimación cuantitativa de la masa total, o cantidad, de materia viviente; indica la cantidad de energía fija en un momento particular. Las unidades de medición de la biomasa varían; la biomasa puede ser representada como volumen total, peso seco o peso vivo. En general, estas pirámides ilustran la reducción progresiva de biomasa en niveles tróficos sucesivos (FIGURA 55-3a). En el supuesto de una reducción de biomasa promedio de alrededor de 90% para cada nivel trófico, 10,000 kg de hierba deben mantener 1000 kg de saltamontes, que a su vez mantienen a 100 kg de ranas. (La reducción de 90% en la biomasa es una aproximación; la verdadera reducción de biomasa de un nivel trófico al siguiente varía ampliamente). Si se sigue esta lógica, la biomasa de consumidores de ranas (como las serpientes) podría pesar, cuando mucho, sólo alrededor de 10 kg. Con base en este breve ejercicio, puede verse que aunque los carnívoros no comen productores, se requiere una gran biomasa de productores para mantener a los carnívoros en una red alimentaria. Algunas veces se encuentra una pirámide de biomasa invertida en la que los consumidores primarios superan a los productores (FIGURA 55-3b). En estos casos, los herbívoros, como peces y zooplancton (protozoos, crustáceos pequeños y etapas inmaduras de muchos animales acuáticos), consumen grandes cantidades de productores, que suelen ser algas unicelulares de vida corta y que se reproducen con rapidez. Por tanto, aunque en cualquier punto en el tiempo hay relativamente pocas algas, la tasa de producción de biomasa de los consumidores primarios es mucho menor que la de los productores. Una pirámide de energía indica el contenido de energía, a menudo expresado como kilocalorías por metro cuadrado por año, de la biomasa de cada nivel trófico. Un método común que usan los ecólogos para medir el contenido de energía consiste en quemar una muestra simple de tejido en un calorímetro; el calor liberado durante la combustión se mide para determinar el contenido de energía del material orgánico en la muestra. Las pirámides de energía siempre tienen bases grandes y se hacen progresivamente más pequeñas a través de niveles tróficos para mostrar que la mayor parte de la energía se disipa hacia el ambiente cuando hay una transición de un nivel trófico al siguiente. Menos energía llega a cada nivel trófico sucesivo desde el nivel inferior porque los organismos

Consumidores secundarios (1) Consumidores primarios (4) Productores (40,000)

(a) Una pirámide de biomasa para un bosque tropical en Panamá.

Consumidores primarios (21) Productores (4) (b) Una pirámide de biomasa invertida, como la del plancton en el Canal de la Mancha, ocurre cuando un nivel trófico inferior altamente productivo experimenta elevadas tasas de productividad. El plancton está constituido principalmente por algas y animales microscópicos que flotan libremente.

FIGURA 55-3 Pirámides de biomasa Estas pirámides se basan en la biomasa en cada nivel trófico y por lo general tienen forma piramidal con una gran base y áreas progresivamente menores para cada nivel trófico sucesivo. Los valores de la biomasa están en gramos de peso seco por metro cuadrado. (a, b, adaptados de Odum, E. P. Fundamentals of Ecology, 3a. ed., W. B. Saunders Company, Filadelfia, 1971, y se basan en estudios de F. B. Golley y G. I. Child [a] y H. W. Harvey [b]).

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Consumidores terciarios (21) Consumidores secundarios (383) Saprótrofos (5060)

Consumidores primarios (3368) Productores (20,810)

FIGURA 55-4 Pirámide de energía Una pirámide de energía para Silver Springs, Florida, representa el fl ujo de energía, la base funcional de la estructura del ecosistema. Los valores de energía están dados en kilocalorías por metro cuadrado por año. Observe la pérdida sustancial de energía utilizable de un nivel trófico al siguiente. El ecosistema de Silver Springs es complejo, pero la cinta de hierba (productores), los caracoles con concha en forma de espiral (consumidores primarios), las jóvenes tortugas de río (consumidores secundarios), los lucios (peces; consumidores terciarios) y las bacterias y hongos (saprótrofos) son organismos representativos. Cuando las tortugas de río son jóvenes, son carnívoras y consumen caracoles, insectos acuáticos y gusanos; como adultas, son herbívoras. (Basado en Odum, H. T. “Trophic Structure and Productivity of Silver Springs, Florida”. Ecological Monographs, vol. 27, 1957).

en el nivel inferior usan algo de la energía para realizar trabajo y algo de ésta se pierde como calor (FIGURA 55-4). (Recuerde que ningún proceso biológico es 100% eficaz). La segunda ley de la termodinámica explica por qué hay pocos niveles tróficos: las pirámides de energía son cortas debido a la notoria reducción del contenido de energía que ocurre en cada nivel trófico sucesivo.

Los ecosistemas varían en productividad La productividad primaria bruta (PPB) de un ecosistema es la razón a la que se captura energía durante la fotosíntesis.1 Así, la PPB es la cantidad total de energía fotosintética capturada en un período dado. Por supuesto, las plantas y otros productores deben respirar para contar con energía para sus procesos de vida, y la respiración celular actúa como un drenaje en la producción fotosintética. La energía que queda en los tejidos vegetales después de que ha ocurrido la respiración celular se denomina productividad neta primaria (PNP) . Es decir, la PNP es la cantidad de biomasa (la energía almacenada en los tejidos vegetales) encontrada en exceso después de que parte de ella ha sido descompuesta por la respiración celular de un vegetal para actividades cotidianas normales. La PNP representa la razón a la cual esta materia orgánica es realmente incorporada en los tejidos vegetales para producir crecimiento. productividad neta primaria

productividad primaria bruta

respiración vegetal

(crecimiento del vegetal por área unitaria por tiempo unitario)

(fotosíntesis total por área unitaria por tiempo unitario)

(por área unitaria por tiempo unitario)

Sólo la energía representada por la productividad neta primaria está disponible para los consumidores, y de esta energía sólo una porción es utilizada por éstos. Tanto la PPB como la PNP se expresan como energía por área unitaria por tiempo unitario (por ejemplo, kilocalorías de 1 Las productividades bruta y neta se denominan como primarias porque las plantas y otros productores ocupan la primera posición en las redes alimentarias.

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Capítulo 55

energía fijada por fotosíntesis por metro cuadrado por año) o como peso seco (es decir, gramos de carbono incorporados en el tejido por metro cuadrado por año). A la larga, los herbívoros y otros consumidores utilizan toda la producción neta primaria de una planta. ¿Qué ocurre con esta energía? Considere la transferencia de producción neta primaria de una planta a un ciervo que se la come. Mucha de la energía almacenada en la materia de la planta que consume el ciervo, alrededor de 25%, no es digerida y se pierde en sus heces. (Esta energía no se pierde del ecosistema porque será utilizada por los detritívoros y los descomponedores; sin embargo, es desperdiciada desde el punto de vista del ciervo). Tal vez 55% de la energía que el ciervo toma como comida es liberada durante la respiración celular y usada para realizar trabajo como contracción muscular y mantener y reparar el cuerpo del ciervo. La energía restante, menos de 20%, está disponible para producir nueva biomasa; es decir, nuevos tejidos. Esta energía neta disponible para la producción de biomasa por el organismo consumidor se denomina productividad secundaria. La productividad secundaria de un ecosistema está basada en su productividad primaria. Muchos factores pueden interactuar para determinar la productividad primaria. Algunas plantas son más eficaces que otras para fijar carbono. Los factores a...