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Flujo y procesamiento de energía y materia en los ecosistemas.
ecología
Diego Iriarte León
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La ECOLOGÍA corresponde al estudio científico de las relaciones entre los organismos y su ambiente. Cuando hablamos de ambiente incluimos no sólo las condiciones físicas, sino también las condiciones biológicas en que vive un organismo. Cuando hablamos de las relaciones se está involucrando en este caso a las interacciones de los organismos tanto con el medio físico como con los miembros de su especie y los de otras especies.
El término ecología deriva de las palabras griegas oikos, que significa “casa”, y logia, “estudio”. Literalmente, la ecología es el estudio de la casa. Los organismos interactúan con su ambiente dentro del contexto del ecosistema. La parte eco de la palabra se refiere al ambiente. La parte sistema implica que es un conjunto de partes interrelacionadas que funcionan como un todo. De este modo, el ecosistema contiene partes que interactúan formando una unidad. En general, el ecosistema consiste en dos componentes básicos interrelacionados: la parte viva o biótica, y la parte física o abiótica.
Los diferentes organismos que habitan un lugar se integran en poblaciones. En ecología una población es un grupo de individuos que pueden, potencialmente, reproducirse entre sí, y que coexisten en el espacio y en el tiempo. Esta definición implica que los individuos que constituyen una población pertenecen a la misma especie.
Es muy importante recordar que”los organismos de un ecosistema no sólo se adaptan al ambiente sino que interactúan con él, modificando y controlando las propiedades físicas y químicas de la Biosfera”.
ELEMENTOS BIÓTICOS Y ABIÓTICOS DEL ECOSISTEMA.
Todos los ecosistemas, tanto terrestres como acuáticos, tienen tres componentes básicos: los organismos autótrofos, los consumidores y la materia abiótica.
Los productores, o autótrofos, son en gran medida las plantas verdes y algas. Estos organismos utilizan la energía del sol en la fotosíntesis para transformar los componentes inorgánicos en compuestos orgánicos complejos.
Los consumidores o heterótrofos, utilizan los compuestos orgánicos producidos por los autótrofos como fuente de alimento. Con el tiempo, a través de la descomposición, los heterótrofos transforman estos compuestos orgánicos complejos en compuestos orgánicos simples que son utilizados de nuevo por los productores. El componente heterotrófico del ecosistema se subdivide a menudo en dos subsistemas: consumidores y descomponedores.
Los consumidores se alimentan en gran medida de tejido vivo y los descomponedores disgregan la materia muerta transformándola en sustancias inorgánicas. No importa como los clasifiquemos, todos los organismos heterótrofos son consumidores, y todos de alguna manera actúan como descomponedores.
El tercer componente, la materia abiótica, lo constituye el suelo, los sedimentos, la materia particulada, la materia orgánica disuelta en el agua y el detritus en los ecosistemas terrestres.
Los organismos se agrupan en poblaciones. Todas las poblaciones de un ecosistema se relacionan con otras, y en su conjunto constituyen una comunidad. La comunidad y el ambiente físico constituyen el ecosistema y todos los ecosistemas de la Tierra forman el ecosistema planetario o Biosfera.
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Toda la materia orgánica muerta deriva de restos de consumidores y productores, y sobre ellas actúan los descomponedores. Esta materia orgánica muerta es crítica para el reciclado interno de nutrientes en el ecosistema.
FLUJO Y ENERGÍA EN EL ECOSISTEMA.
Para que un ecosistema se mantenga en el tiempo es necesario el intercambio de energía y materia entre los organismos y su ambiente; para lograrlo se fija y transfiere energía proveniente del sol. Las plantas verdes fijan la energía solar por medio de la fotosíntesis, acumulándose como biomasa vegetal. Los organismos no fotosintéticos convierten estas reservas de energía en biomasa heterótrofa.
La Física define la energía como la capacidad de realizar un trabajo, lo cual ocurre cuando una fuerza opera sobre un objeto. En Bioquímica, es más útil considerar a la energía como la capacidad para cambiar. No todas las células “forman” energía, pero todos los vivos pueden obtener energía desde el ambiente. Es importante recordar que una de las leyes fundamentales de la Física que establece que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Pero la energía se puede transformar de un tipo a otro. Las transformaciones de energía están vinculadas con las transformaciones químicas que ocurren en la célula, como el rompimiento de enlaces químicos o el movimiento de sustancias a través de la membrana.
CO2 O2 H2O
Respiración Nutrie
ntes
Nutrie
ntes
A
A Consumidores
Productores
Elementos Abióticos
Descomposición
Deposición
Consumo Caída de hojas
Tran
slocación
CO2 O2 H2O
Fig. 1 Diagrama esquemático de un ecosistema. Las líneas discontinuas representan los límites del sistema. Los tres componentes principales son los productores, los consumidores y los elementos abióticos: materia orgánica muerta o inactiva, la matriz del suelo, etc. Las flechas indican interacciones dentro del sistema y con el ambiente.
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LOS CAMBIOS DE ENERGÍA SE RELACIONAN CON CAMBIOS EN LA MATERIA.
La energía se puede encontrar en muchas formas como la luz del sol, en los enlaces químicos o en forma de energía mecánica. Pero todas las formas de energía pueden ser consideradas en dos tipos básicos:
• Energía cinética: es la energía del movimiento. Este tipo de energía actúa alterando el estado de movimiento en la materia.
• Energía potencial: es la energía de la posición, esto quiere decir que almacena energía.
En las células de los organismos ocurren dos tipos de reacciones químicas metabólicas:
• Las reacciones anabólicas (anabolismo): son todas aquellas reacciones químicas que forman enlaces entre átomos o moléculas. Por ejemplo, la síntesis de proteínas a partir de los aminoácidos es una reacción anabólica. Todas las reacciones anabólicas requieren una entrada de energía y que esta sea capturada en un enlace químico.
• Las reacciones catabólicas (catabolismo): son todas aquellas reacciones que rompen los enlaces de moléculas más complejas formando moléculas más simples y liberando la energía almacenada en el enlace químico.
Las reacciones catabólicas y anabólicas se encuentran relacionadas. La energía liberada en el catabolismo es utilizada en el anabolismo, es así como funcionan los sistemas biológicos.
Las actividades celulares como el crecimiento, el movimiento y el transporte activo de iones a través de la membrana requieren energía y ninguno de ellos ocurriría sin una fuente de energía. A continuación se expondrán las leyes físicas que gobiernan todas las transformaciones de energía.
LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA.
Desde el punto de vista de la Termodinámica, los seres vivos son sistemas abiertos, es decir, intercambian energía y materia con el medio.
El almacenamiento y el consumo de energía están gobernados por las dos leyes de la termodinámica. La primera ley establece que la energía no se crea ni se destruye. Puede cambiar de una forma a otra o de un lugar a otro. La energía simplemente se transfiere de un estado a otro. Esto implica que la suma de todas las formas de energía es igual a la energía inicial en el sistema
La segunda ley de la termodinámica establece que cuando la energía se transfiere o se transforma, parte de esa energía toma una forma que no puede pasar a otra forma posterior. Esta forma de energía es el calor, que corresponde a una medida del movimiento azaroso de las moléculas, por lo tanto una forma de medir la energía cinética.
Biomasa:Materia orgánica originada en un proceso bioló-‐gico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía.
Las reacciones químicas que almacenan energía al formar enlaces entre los átomos o moléculas reciben el nombre de reacciones endergónicas; en cambio las reacciones químicas que liberan energía al romper los enlaces entre los átomos reciben el nombre de reacciones exergónicas.
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La energía en los sistemas biológicos fluye en una sola dirección, desde la entrada continua de luz solar para ser reemplazada por energía que se disipa en forma de calor. Si bien la cantidad total de energía del Universo se mantiene constante, la energía disponible para realizar un trabajo disminuye, progresivamente transformándose en calor.
Otra manera de interpretar esta ley es comprender que la energía pasa de un estado ordenado (energía potencial en cualquiera de sus formas) a un estado creciente de desorden (calor). Este desorden es conocido como entropía que es una medida del grado de desorden o aleatoriedad de un sistema. Otra manera de enunciar la segunda ley sería que todos los procesos naturales tienden a ocurrir en una dirección que aumenta la entropía del Universo.
Los seres vivos a medida que van creciendo y desarrollándose aprovechan el flujo constante de energía desde el medio para aumentar su orden interno (disminuyen su entropía), manteniendo un alto grado de organización mientras dura su ciclo vital. Cada vez que un organismo utiliza energía para efectuar las reacciones químicas que lo mantienen con vida, transforma una parte de esa energía en calor, el cual se disipa aumentando la entropía del medio. De esta manera, el aumento de orden que se produce en un sistema biológico se compensa con la liberación al medio de energía en forma de calor.
A medida que la energía es transferida en forma de alimento de un organismo a otro, una gran parte de la energía se degrada informa de calor, que deja de ser transferible. El resto es almacenado como tejido vivo.
Ingreso de energía al ecosistema
CADENAS Y TRAMAS TRÓFICAS.
Se ha visto que el flujo de energía va desde los productores hacia los consumidores, pues es importante apreciar como la energía sigue distintas rutas a través del ecosistema, influyendo la estructura del componente biótico del mismo.
LAS CADENAS TRÓFICAS.
La cadena trófica nos permite ver como la energía almacenada por las plantas se mueve a través del ecosistema en una serie de etapas en que los organismos comen y son comidos. Son diagramas descriptivos: una serie de flechas, cada una de las cuales va desde una especie hasta otra, para la cual representa una fuente de alimento.
Es importante destacar que las cadenas tróficas no son lineales, siempre los recursos se comparten, por ello, varias cadenas tróficas conectadas entre sí forman una red o trama trófica.
Ejemplo:
Para simplificar una trama trófica, las especies se agrupan en categorías llamadas niveles tróficos, que se basan en la fuente alimenticia. Así, el primer nivel trófico pertenece a los productores
Hierba Saltamontes Gorrión Aguilucho
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(autótrofos); su fuente de energía es el sol y sus nutrientes provienen del suelo, el agua y la atmósfera.
El segundo nivel pertenece a los herbívoros, especies que se alimentan exclusivamente de plantas constituyendo a los consumidores primarios. Los herbívoros son la fuente energía para los carnívoros, animales que se alimentan de otros animales. Los herbívoros son capaces de transformar en tejido animal la energía almacenada en forma de tejido vegetal. Su función es esencial para el ecosistema, pues sin ellos los niveles tróficos superiores no existirían.
Aquellos que se alimentan directamente de los herbívoros son los consumidores secundarios o carnívoros primarios. Estos a su vez, constituyen la fuente de energía para los carnívoros secundarios o consumidores terciarios. Popularmente, los carnívoros son organismos grandes que matan y comen presas más pequeñas. Enun sentido más amplio, cualquier organismo que se alimenta de otro organismo o de los tejidos de este es, funcionalmente hablando, un carnívoro; por lo tanto, un parásito es un carnívoro.
El carnívoro típico está adaptado a una dieta de carne, por ejemplo en el caso de los mamíferos carnívoros tienen dientes caninos para morder y perforar; los molares están reducidos, aunque muchas especies presentan muelas de carne que tienen afiladas crestas cortantes.
No todos los consumidores se ubican claramente en un nivel trófico, ya que muchos no limitan su alimentación a un único nivel, denominándose omnívoros, en un sentido amplio, a aquellos consumidores que se alimentan de tejidos animales y vegetales. Los carroñeros son animales que comen materia animal y vegetal muerta, por lo tanto, los carroñeros pueden ser tanto herbívoros como carnívoros.
Los saprófitos son el equivalente de los carroñeros en los vegetales. Al igual que los anteriores, se nutren a partir de materia vegetal o animal muerta. Como no requieren luz solar como fuente de energía pueden vivir a la sombra o en cuevas oscuras. Los hongos son ejemplos de saprófitos.
Los descomponedores constituyen el último nivel trófico dentro de la cadena alimenticia. Cabe destacar que todos los consumidores, en algún grado, son descomponedores, reduciendo el tamaño del alimento mediante la digestión o la fragmentación en pedazos más pequeños, haciéndolo más accesible a otros consumidores, incluyendo bacterias y hongos. Lo que típicamente se conoce como descomponedores en sentido estricto son aquellos organismos que se alimentan de materia orgánica muerta en forma de restos troceados o detritos.
Los descomponedores se dividen en dos grupos: los microscópicos y los macroscópicos. Aproximadamente el 40% de estos organismos son bacterias; en torno al 50% son hongos microscópicos; del 5% al 9% son protozoos; y un 0,5% son hongos. En cuanto a los descomponedores macroscópicos, solo constituyen el 0,4% del conjunto de la comunidad de descomponedores.
Los detritívoros dominantes son bacterias y hongos; las bacterias pueden ser aeróbicas o anaeróbicas. Como grupo, las bacterias son el principal grupo descomponedor de la materia animal. En el caso de la materia vegetal, los hongos son los encargados de descomponerla.
Existe una relación complementaria entre los macrodescomponedores y los microdescomponedores. Los macroorganismos fragmentan la materia detrítica, poniéndolo a
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disposición de los pequeños detritívoros. Finalmente, la materia queda tan reducida que incluso la actividad bacteriana no puede seguir. En este momento las bacterias asimilan los compuestos orgánicos, concentrándolos en partículas mayores, que aún pueden hacerse más grande por agregación bacteriana. Esta materia se encuentra de nuevo disponible para los macrodescomponedores. Éstos, a su vez, pueden producir bolitas fecales más grandes que el material digerido, proporcionando superficies para la colonización microbiana. De esta forma la materia orgánica descompuesta puede pasar entre diferentes grupos de la cadena alimenticia hasta que finalmente alcanza su forma inorgánica.
Dentro de cualquier ecosistema hay dos cadenas tróficas principales: la cadena de los herbívoros y la cadena de los detritívoros. La diferencia entre estas dos cadenas radica en la fuente de energía que utilizan los productores primarios. En la cadena trófica de los herbívoros propiamente dichos, la fuente de energía es la biomasa de las plantas vivas o producción primaria neta (PPN). En la cadena trófica de los detritívoros la fuente de energía es la materia orgánica muerta o detritos. A su vez, en cada cadena tanto los herbívoros como los detritívoros son la fuente de energía para los carnívoros, por lo que ambas cadenas se pueden conectar por la depredación ejercida por los carnívoros.
LA ENERGÍA FLUYE A TRAVÉS DE LOS DISTINTOS NIVELES TRÓFICOS.
Cuando los ecólogos siguen el flujo de energía a través de un ecosistema, tienen que rastrear el flujo de energía entre los niveles tróficos. También tienen que definir la conexión entre las dos cadenas tróficas, herbívoras y detritívoras, y medir las pérdidas del ecosistema producidas por la respiración (R).
Carnívoros
Herbívoros
Producción neta primaria
Cadena trófica de los herbívoros
Cadena trófica de los detritívoros
Carnívoros
Descomponedores
Detritos
a) b)
Fig. 2 Dos partes de cualquier ecosistema: (a) una cadena trófica basada en herbívoros, y (b) una cadena trófica basada en detritívoros.
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La Fig. 3 combina las cadenas tróficas para producir un modelo general de la estructura trófica y del flujo de energía a través de un ecosistema. Las dos cadenas están conectadas; la fuente inicial de energía para la cadena detritívora es la entrada de material de desecho y materia orgánica muerta proveniente de la cadena de los herbívoros. Esta conexión se representa como una serie de flechas desde cada uno de los niveles tróficos de la cadena de herbívoros hasta los cuadros designados como detritos o materia orgánica muerta. Existe una notable diferencia en el flujo de energía entre los niveles tróficos de ambas cadenas. En los herbívoros el flujo de energía es unidireccional, siendo la producción neta primaria la que proporciona la fuente de energía para los herbívoros y estos para los carnívoros. En la cadena de los descomponedores el flujo de energía no es unidireccional. Los materiales de desecho y la materia orgánica muerta de cada uno de los niveles tróficos de los consumidores son “reciclados”, volviendo como una nueva entrada en el cuadro de materia orgánica muerta en la base de la cadena detritívora. Además los niveles superiores de la cadena de los detritívoros proporcionan energía para los niveles superiores (mediante la depredación) de la cadena de los herbívoros.
La energía disponible de un nivel trófico determinado (designado como n) es la producción del nivel inferior inmediato (n-‐1). Esta producción es, en parte, consumida o ingerida (I); el resto va a parar a la cadena detritívora como materia orgánica muerta. De la energía consumida, una parte es asimilada por el organismo (A) y el resto se pierde como material de desecho (D) que va a parar a la cadena detritívora. De la energía asimilada, parte se pierde por respiración (R).
Carnívoros Carnívoros
Herbívoros Descomponedores
Producción primaria neta
Detritos
Cadena trófica de los herbívoros Cadena trófica de los detritívoros
R
R
R
R
R
R
Fig. 3 Combinación de las cadenas de los detritívoros y de los herbívoros mostrando sus conexiones
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PRODUCTIVIDAD DE UN ECOSISTEMA.
La productividad es una medida de la cantidad de energía solar que es transformada en moléculas orgánicas, mediante la fotosíntesis o quimiosíntesis que realizan los organismos productores.
Básicamente se distinguen dos tipos de productividad: la productividad primaria bruta (PPB), que es una medida de la tasa de asimilación de energía por los productores (la cantidad total de la materia orgánica producida, incluyendo la utilizada por los organismos fotosintéticos para la respiración), y la productividad primaria neta (PPN), que es una medida de la cantidad de materia orgánica producida en una comunidad en un tiempo dado y que se encuentra disponible para los heterótrofos. Es igual a la PPB menos la cantidad de energía utilizada para las reacciones metabólicas de los organismos fotosintetizadores. El peso neto de todos los organismos de un ecosistema, su biomasa, aumenta como resultado de su PPN.
La tasa de producción en los heterótrofos es llamada productividad secundaria. Debido a que los herbívoros y los carnívoros no realizan fotosíntesis, ellos no pueden formar biomoléculas directamente desde el CO2. Sin embargo, ellos obtienen estas moléculas desde los vegetales o consumiendo a otros heterótrofos. La productividad secundaria de los heterótrofos es menor que la de productividad primaria ¿A qué se debe esto?
Primero, mucha de la biomasa no es consumida por el heterótrofo y queda a disposición de los descomponedores. Segundo, parte de la energía no es asimilada por el organismo, pasando en forma de fecas a los descomponedores. Por último, no toda la energía es utilizada para formar biomasa, parte de ella se utiliza en la respiración y esta se pierde en forma de calor.
Habitualmente, la productividad (bruta o neta) se expresa como la cantidad de energía, medida en calorías o unidades equivalentes, almacenadas en los compuestos químicos de los organismos, por
Poiquilotermo: son aquellos organismos cuya temperatura es variable pues dependen de los cambios en la temperatura ambiental, esto tiene como consecuencia que su actividad metabólica varíe.
Homeotermo: son organismos cuya temperatura corporal no varía significativamente en el transcurso del tiempo, por tanto, su actividad metabólica es relativamente constante.
Fig. 4 Flujo de energía dentro de un único compartimento trófico.
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unidad de tiempo; o como el incremento en biomasa (crecimiento), medida en gramos o toneladas, en un periodo de tiempo determinado.
La productividad bruta de un ecosistema no depende solo de la cantidad de luz que recibe el ecosistema, también son importantes los nutrientes que estén presentes en el medio, la humedad relativa y la temperatura. La productividad primaria neta se utiliza para comparar la productividad entre ecosistemas. El crecimiento puede ser medido de forma eficaz, considerando la cantidad de materia orgánica seca (peso seco), acumulada en una superficiedeterminada y en un tiempo concreto (g/m2/año).
LA ENERGÍA DISMINUYE EN CADA NIVEL TRÓFICO SUCESIVO.
La cantidad de energía que fluye en un determinado nivel trófico disminuye cada vez que cambiamos a un nivel trófico superior. Este patrón se debe a que no toda la energía se utiliza en la producción. Según una ley muy general, la energía se reduce 10 veces al pasar de un nivel trófico a otro. Si los herbívoros consumen 1000 Kcal de energía vegetal, aproximadamente 100 Kcal se convertirán en tejido herbívoro, 10 Kcal en carnívoros primarios y 1 Kcal en carnívoros secundarios.
Fig. 5 El siguiente esquema muestra como varía la cantidad de energía disponible para cada nivel trófico. Obsérvese
que la energía disponible disminuye al pasar desde los productores a los consumidores.
Sin embargo las eficiencias de conversión son muy variables entre los organismos de la misma especie e incluso entre organismos poiquilotermos y homeotermos.
Los organismos poiquilotermos se caracterizan por que su temperatura depende en gran medida de las variaciones de temperatura ambiental (organismo ectotermo). En este grupo podemos encontrar a los reptiles, anfibios, artrópodos en general y peces. Los organismos homeotermos pueden generar su propio calor para así mantener una temperatura corporal constante, regulada por ellos mismos; reciben la denominación de organismos endotermos. Pertenecen a este grupo las aves y los mamíferos. Los organismos endotermos pueden permanecer activos durante cualquier época del año al mantener una actividad metabólica constante. Sin embargo, mantener una elevada temperatura corporal interna durante periodos de bajas temperaturas ambientales, tiene un alto costo que se traduce en entregar constantemente “combustible” al sistema en forma de alimento. Por ejemplo, un cocodrilo que es un organismo ectotermo puede pasar meses sin alimentarse, un humano necesita, en promedio, comer cada 5 horas.
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Tabla 1 La eficiencia ecológica permite cuantificar la energía que fluye dentro de un nivel trófico de un ecosistema.
Eficiencia ecológica (dentro de un nivel trófico)
Fórmula
Eficiencia de asimilación !"#$#%!&#ó!!"#$%&!ó!
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Eficiencia de crecimiento !"#$%&&'ó!!"#$%&!ó!
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Eficiencia de producción !"#$%&&'ó!!"#$#%!&#ó!
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Eficiencia de consumo !"#$%&" !" !" !"#$% !"ó!"#$ !!"#$%&&'ó! !" !" !"#$% !"ó!"#$ !!! (!"#$%&)
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Eficiencia del nivel trófico !"!× !
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LA PRODUCCIÓN DE LOS SUCESIVOS NIVELES TRÓFICOS SE DISPONE EN PIRÁMIDES ECOLÓGICAS.
Sumando la biomasa o energía contenida en cada nivel trófico podemos construir pirámides que representan el ecosistema. Por ejemplo, la biomasa de los productores es comparativamente mayor que la de los consumidores primarios y mayor aún que la de los consumidores secundarios.
Al diagramar estas variaciones observaremos pirámides de biomasa, de energía o pirámides de número que permiten describir un ecosistema.
Las pirámides de biomasa nos indican mediante el peso, u otra forma de medir la materia viva, la cantidad total de materia que representan los organismos o la energía fijada presente en un momento dado. Debido a que parte de la energía o de la materia se pierde en cada uno de los niveles tróficos, la biomasa total que se mantiene en cada nivel está limitada por la tasa de almacenamiento del nivel trófico inmediatamente inferior. En general, la biomasa de productores debe ser mayor que la biomasa de los herbívoros que mantienen, y la biomasa de los herbívoros debe ser mayor que la de los carnívoros. Esto provoca que la pirámide se vaya estrechando en la mayoría de los ecosistemas.
La pirámide de energía indica únicamente la cuantía del flujo de energía en cada nivel trófico, es decir la producción o biomasa de organismo producida por unidad de tiempo, o lo que es lo mismo, es la tasa con la que la materia alimenticia atraviesa la cadena trófica. Hay organismos con una biomasa pequeña, pero la energía total que ellos asimilan y transportan puede ser considerablemente mayor que los otros organismos que constituyen una mayor biomasa. Las pirámides de energía se van estrechando porque cada nivel transfiere menos energía de la que fue transferida, de acuerdo con la segunda ley de la Termodinámica.
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RESPONDE:
¿Qué es una cadena trófica? ¿Y una trama trófica?
¿Cuáles son las cadenas tróficas principales y cómo se relacionan?
¿Por qué la descomposición es algo más que el punto final tradicional de la cadena trófica?
Investigue el papel de bacterias, fitoplancton y zooplancton en el proceso de descomposición en ambientes acuáticos.
¿Qué es un nivel trófico? Relacione los niveles tróficos con las pirámides ecológicas.
¿Qué es la eficiencia ecológica?
¿Cómo podría verse afectada una trama trófica por el uso de pesticidas?
Bibliografía Bravo Mauricio, C. P. (2007). Manual esencial Santillana.Santiago, Chile: Santillana.
Johnson, R. &. (6th edition). Biology.
Purves, S. O. (7th edition). Life: The Science of Biology.
