Biología Conceptos

PRINCIPIOS BÁSICOS DE ECOLOGÍA

INTRODUCCIÓN

La palabra ecología es de acuñación reciente y fue propuesta por vez primera por el biólogo alemán Ernst Haeckel en 1869. Deriva del vocablo griego oikos que significa casa. En sentido literal ecología es la ciencia o el estudio de los organismos en su casa, esto es, en su medio. Ecología se define como el estudio de las relaciones de los organismos o grupos de organismos entre sí y con su medio. Le ecología se ocupa especialmente de la biología de grupos y de procesos funcionales en la tierra, en los mares y en el agua dulce.

En ecología el término población incluye grupos de individuos de cualquier clase de organismos. En forma análoga, el término comunidad incluye en el sentido ecológico todas las poblaciones que habitan en un área determinada. La comunidad y el ambiente inerte funcionan juntos cual un sistema ecológico o un ecosistema. Biocenosis o biogeocenosis, son equivalentes de modo general a comunidad y ecosistema respectivamente. El sistema biológico mayor y más aproximadamente autosuficiente que conocemos se designa a menudo como biosfera o ecosfera, que incluye todos los organismos vivos de la tierra que actúa recíprocamente con el medio físico como un todo, de modo que se mantenga un sistema de estado fijo intermedio en el flujo de energía entre la alta contribución de energía del Sol y el sumidero térmico del espacio.

Desde el punto de vista de la interdependencia, de las relaciones recíprocas y de la supervivencia, en organismo individual no puede sobrevivir por mucho tiempo sin su población, del mismo modo que tampoco el mundo del órgano podría subsistir por mucho tiempo sin su organismo. Y en forma análoga, en la comunidad no puede existir sin la circulación de materiales y la corriente de energía del ecosistema.

En un ecosistema cada nivel presenta características únicas, cuyo estudio ayuda al conocimiento de los otros niveles, pero no explican nunca por completo, lo que ocurre en ellos. Es decir, que cada nivel posee características que el conocimiento del nivel inmediatamente inferior sólo explica en parte. En otros términos, no todos los atributos de un nivel superior se dejan predecir si conocemos solamente las propiedades del nivel inferior. Por ejemplo, las propiedades del agua no se dejan predecir si sólo conocemos las propiedades del hidrógeno y del oxígeno. Así tampoco pueden predecirse, a partir del conocimiento de poblaciones aisladas, las características de los ecosistemas. El principio de integración funcional que comprende propiedades complementarias a medida que crece la complicación de la estructura es uno de los principios particularmente importantes que deben tenerse en cuenta en ecología.

MODELOS

El modelo es una formulación que imita un fenómeno del mundo real y por medio del cual podemos efectuar predicciones. En su forma más sencilla, los modelos pueden ser verbales o gráficos. Si las predicciones cuantitativas han de ser razonablemente buenas, los modelos han de ser estadísticos y matemáticos. Por ejemplo, la formulación matemática que reflejan los cambios que tienen lugar en una población de insectos, y mediante la cual pudieran predecirse cifras de la población en un momento determinado, se consideraría como un modelo biológicamente útil.

No necesitamos en modo alguno una enorme cantidad de información acerca de muchísimas variables para construir modelos matemáticos reveladores de la dinámica de una población. No se supone que los modelos sean copias exactas del mundo real, sino simplificaciones que revelen los procesos claves necesarios para la predicción.

PRINCIPIOS BÁSICOS SOBRE ECOSISTEMAS

ECOSISTEMA

Los organismos vivos y su ambiente inerte están inseparablemente ligados y actúan recíprocamente entre sí. Cualquier unidad que incluya la totalidad de los organismos (es decir, la comunidad) de un área determinada que actúan, en reciprocidad con el medio físico de modo que una corriente de energía conduzca a una estructura trófica, una diversidad biótica y a ciclos materiales (es decir, intercambios de materiales entre las partes vivas y las inertes) claramente definidos dentro del sistema, es un sistema ecológico o ecosistema.

Desde un punto de vista trófico, el ecosistema tienen dos componentes:

- un componente autotrófico, en el que predominan la fijación de energía de la luz solar, el empleo de sustancias inorgánicas simples, y la construcción de sustancias complejas, y

- un componente heterotrófico, en el que predominan el empleo, la readaptación y la descomposición de materiales complejos.

Desde un punto de vista descriptivo podemos considerar los siguientes elementos:

Componentes Abióticos

-1- Sustancias inorgánicas, que intervienen en los ciclos materiales

-2- Sustancias orgánicas, que enlazan lo biótico y lo abiótico

-3- Régimen climático, como temperatura y otros factores

Componentes Bióticos

-4- Productores, organismos autotróficos, como plantas verdes

-5- Consumidores, (macroconsumidores) organismos heterotróficos, como animales

-6- Desintegradores, (microconsumidores, saprófitos) organismos heterotróficos como bacterias y hongos, que desintegran los compuestos complejos, absorben algunos de los productos de descomposición y liberan al medio sustancias simples susceptibles de ser utilizadas por los productores.

Desde un punto de vista funcional un ecosistema pueden analizarse apropiadamente en términos de:

1- Circuitos de energía

2- Cadenas de alimentos

3- Tipos de diversidad en tiempo y espacio

4- Ciclos nutricios (biogeoquímicos)

5- Desarrollo y evolución

6- Control (Cibernética)

El ecosistema es la unidad funcional básica, porque incluye tanto organismos (comunidades bióticas) como un ambiente abiótico, cada uno de los cuales influye sobre las propiedades del otro, siendo necesarios ambos para la conservación de la vida.

El concepto de ecosistema es y debe ser vasto, siendo su principal función en el pensamiento ecológico la de subrayar las relaciones forzosas, la interdependencia y las relaciones causales, esto es, el acoplamiento de componentes para formar unidades funcionales.

Ejemplos: un estanque, un lago, un bosque, un cultivo de laboratorio.

El conjunto podrá considerarse como un ecosistema si los componentes principales están presentes y operan juntos produciendo alguna clase de estabilidad funcional.

Una de las características universales de todos los ecosistemas, es la acción recíproca de los elementos autotróficos y heterotróficos entre sí. Con mucha frecuencia estas funciones están parcialmente separadas, por cuanto están estratificadas una sobre otra, teniendo lugar el mayor metabolismo autotrófico en las capas superiores donde se dispone de energía lumínica, y ocurriendo el metabolismo heterotrófico más intenso en la parte inferior, en la cual la materia orgánica se acumula en suelos y sedimentos. Por otra parte, las funciones básicas están también parcialmente separadas en el tiempo, por cuanto puede darse un plazo considerable en el empleo heterotrófico de los productos de los organismos autotróficos. Esta separación en espacio y tiempo conduce a una clasificación conveniente de los circuitos de energía:

1- circuito de pastoreo, se refiere al consumo directo de plantas vivas o parte de la planta

2- circuito de detritus orgánico, que comprende la acumulación y descomposición de materiales muertos, es decir, de la materia orgánica en partículas que se produce en la descomposición de organismos muertos.

Desde el punto de vista funcional, las partes vivas y no vivas de los ecosistemas están tan entretejidas en la textura de la naturaleza, que resulta difícil separarlas.

La mayoría de los elementos vitales y de los compuestos orgánicos se encuentran ambos no sólo dentro y fuera de los organismos vivos, sino que se hallan en un estado de flujo constante entre lo vivo y lo no vivo. Hay algunas sustancias que parecen ser exclusivas de uno u otro estado. El ATP se encuentra en el interior de células vivas; en tanto que las sustancias húmicas, que son productos finales resistentes de la descomposición, no se encuentran nunca en las células. Otros compuestos complejos, ADN y Clorofilas, se encuentran ambos dentro y fuera de los organismos, pero se hacen no funcionales fuera de la célula.

Pueden concebirse los tres componentes vivos (productores, fagótrofos y saprótrofos) como los "tres reinos funcionales de la naturaleza", puesto que se basan en el tipo de nutrición y la fuente de energía utilizados. Estas categorías ecológicas no deben confundirse con los reinos taxonómicos.

Conviene subrayar que la clasificación ecológica es más bien una clasificación de función que de especies como tales. Algunas especies de organismos ocupan posiciones intermedias, en tanto que otras son capaces de modificar su modo de nutrición según las circunstancias ambientales.

CONTROL BIOLÓGICO DEL MEDIO

Los organismos individuales no sólo se adaptan al medio ambiente físico, sino que, por su acción concertada en los ecosistemas, adaptan también el medio geoquímico a sus necesidades biológicas.

Si bien todo el mundo se da cuenta de que el medio abiótico controla la actividad de los organismos, no siempre nos percatamos de que los organismos influyen a su vez sobre el ambiente abiótico y lo controlan de muchos modos. En efecto, tienen lugar cambios incesantes en la naturaleza física y química de los materiales inertes por organismos que devuelven nuevos compuestos y fuentes de energía al medio ambiente.

Sin duda, más que cualquier otra especie, el hombre trata de modificar el medio ambiente físico para satisfacer sus necesidades inmediatas, así desbarata y aún destruye cada vez más los componentes bióticos que son necesarios para su existencia fisiológica. Puesto que el hombre es un heterotrófo y un fagótrofo que prosperan mejor cerca del extremo de cadenas complejas de alimentos, su dependencia con respecto al medio subsiste, por mucho que sus técnicas se perfeccionen. Las grandes ciudades no siguen siendo más que parásitos en la biósfera, si consideramos los recursos que acertadamente se han designado como vitales, esto es, el aire, el agua y los alimentos. Cuanto mayores son las ciudades tanto más le piden al campo circundante, y tanto mayor es el peligro de que perjudique al medio natural, su huésped.

LA PRODUCCIÓN Y LA DESCOMPOSICIÓN EN LA NATURALEZA

Cada año se producen en la Tierra, por organismos fotosintéticos, aproximadamente unos cien mil millones de toneladas de materia orgánica. Una cantidad aproximadamente equivalente se vuelven a oxidar en dióxido de carbono y agua, durante el mismo intervalo, como resultado de la actividad respiratoria de los organismos vivos. Pero el equilibrio no es exacto.

Químicamente, el proceso fotosintético comprende el almacenamiento de una parte de la energía de la luz solar como potencial en energía química de los alimentos. Esto implica una reacción de oxidación y reducción:

CO2 + 2H2A --- luz --- (CH2O) + H2O + 2A

siendo la oxidación

2H2A ------ 4H + 2A

y la reducción

4H + CO2 ------ (CH2O) + H2O

Para las plantas verdes, en general la "A" es oxígeno; es agua que se oxida con liberación de oxígeno gaseoso, y el dióxido de carbono es reducido a hidratos de carbono, con liberación de agua.

En la fotosíntesis bacteriana, por otra parte, el H2A (el reductor) no es agua sino una combinación inorgánica de azufre, como ácido sulfhídrico (H2S) o un compuesto orgánico. Por consiguiente, no se libera oxígeno en la fotosíntesis bacteriana.

Las bacterias fotosintéticas juegan un papel secundario en la producción de materia orgánica. Sin embargo, pueden funcionar en condiciones desfavorables para el desarrollo general de las plantas verdes y desempeñan un papel en el ciclo de ciertos minerales en sedimentos acuáticos. Son anaerobios forzosos y se encuentran en la capa limítrofe entre las zonas oxidativas y reducidas, en sedimentos, o en el agua donde la luz es poco intensa.

En contraste, las bacterias fotosintéticas no sulfurosas son por lo regular anaerobios facultativos; pueden funcionar a sí mismo como heterótrofos en ausencia de luz, al igual que muchas algas. Así pues, la fotosíntesis bacteriana puede ser útil en el agua contaminada y eutroficadas, pero no constituye en un sustituto de la fotosíntesis regular, generadora de oxígeno. Las bacterias quimiosintéticas, se consideran a menudo como productores, pero lo cierto es que en términos de su función en los ecosistemas son elementos intermedios entre lo autótrofos y los heterótrofos. Estas bacterias obtienen su energía para la asimilación del dióxido de carbono en componentes celulares no por fotosíntesis, sino mediante la oxidación química de compuestos inorgánicas simples como, por ejemplo, la de amoníaco en nitrito, de nitrito en nitrato, de sulfuro en azufre, y de hierro ferroso en férrico. Pueden desarrollarse en la oscuridad, pero la mayoría requiere oxígeno.

Debido a su capacidad para funcionar en lugares oscuros (sedimentos y suelos), las bacterias quimiosintéticas no sólo desempeñan un papel en la recuperación de alimentos, sino que rescatan energía que en otros casos se perdería.

Si consideramos la respiración en sentido amplio como "toda oxidación biótica que produce energía" es importante identificar los diversos tipos que existen, a saber:

1- Respiración aeróbica: el oxígeno gaseoso es el receptor de hidrógeno (oxidante).

2- Respiración anaeróbica: el oxígeno gaseoso no interviene. El electrón absorbente (oxidante) es un compuesto distinto de lo oxígeno.

3- Fermentación: también anaeróbica, pero un compuesto orgánico es aquí el electrón aceptor (oxidante).

El tipo 1, es el inverso de la fotosíntesis regular. Es el medio por el cual todas las plantas y los animales superiores, obtienen su energía para la subsistencia y para la formación de material celular. La respiración completa produce dióxido de carbono, agua y material celular, pero el proceso puede ser incompleto, dejando compuestos orgánicos que contienen todavía energía susceptible de ser utilizadas posteriormente por otros organismos.

En cuanto a la respiración sin oxígeno, está restringida en gran parte a los saprófogos (bacterias, levaduras, mohos, protozoos). Las bacterias del metano son buenos ejemplos de anaerobios forzosos, que descomponen compuestos orgánicos con producción de metano (CH4), mediante la reducción de carbono orgánico o de carbonato.

Las bacterias de respiración anaeróbica del tipo 2, reducen sulfato en gas sulfhídrico, que pueden subir de los sedimentos profundos a los poco profundos, donde pueden actuar otros organismos, como las bacterias fotosintéticas.

Las levaduras son ejemplos de fermentadores, desempeñan un papel fundamental en la descomposición de residuos.

Muchas clases de bacterias son capaces de respiración tanto aeróbica como anaeróbica; pero los productos finales de las dos reacciones serán distintos, y la cantidad de energía liberada será mucho menor en el caso de las condiciones anaeróbicas.

En resumen, aunque los saprófagos anaerobios son componentes minoritarios en la comunidad, son importantes en el ecosistema porque ellos solos son capaces de respirar en los lugares apartados y oscuros sin oxígeno del sistema. Así rescatan energía y materiales para la mayoría de los aerobios. De modo tal que lo que podría parecer un método ineficaz de respiración, resulta contribuir a la explotación eficaz de energía y materiales en el ecosistema en su conjunto.

La sencilla clasificación en autótrofos, fagótrofos, saprótrofos constituye un buen instrumento de trabajo para la descripción de la estructura ecológica de una comunidad biótica, en tanto que los términos "producción, consumo y descomposición" son útiles para describir funciones generales. Toda vez que la especialización en la función propende a traducirse en una mayor eficacia bajo las condiciones competitivas de la naturaleza, los organismos evolutiva mente más avanzados parecen limitarse a un ámbito más bien angosto de función, dejando la tarea de llenar las lagunas a organismos menos especializados. La versatilidad metabólica de las bacterias, los protozoos y las algas no tienen nada de sorprendente si recordamos que el ATP se forma en la célula del mismo modo tanto en la fotosíntesis como en la respiración, esto es, mediante transferencia de electrones de un reductor a un oxidante a través de los citocromos. En la fotosíntesis, el reductor y el oxidante se forman dentro de la célula a expensas de la energía lumínica, en tanto que en la respiración éstos se obtienen ya listos del medio ambiente.

Los microorganismos sintetizan los elementos orgánicos necesarios y proporcionan la sincronización perfecta del ecosistema, puesto que pueden adaptarse rápidamente a condiciones cambiantes.

La relación entre la velocidad total de producción y la velocidad de descomposición es la que reviste mayor importancia en la biósfera en su conjunto. El juego recíproco de estas funciones opuestas controla nuestra atmósfera y nuestra hidrósfera.

Actualmente el hombre toma más de lo que restituye, poniendo en peligro el equilibrio vital que existe en la naturaleza.

La descomposición resulta de procesos tanto abióticos como bióticos, como en el caso de los fuegos en praderas y en bosques como factor limitativo y como factor desintegrador de detritus y que liberan grandes cantidades de dióxido de carbono y otros gases a la atmósfera y de minerales al suelo. Sin embargo son los microorganismos heterotrófico o saprófogos los que en última instancia atacan los cuerpos muertos de plantas y animales. Por consiguiente, la descomposición tiene lugar mediante transformaciones de energía dentro de los organismos y entre ellos.

No todas las partes de los cuerpos de plantas y animales se desintegran a la misma velocidad. Los productos más resistentes a la descomposición terminan formando las sustancias húmicas.

Pueden distinguirse tres etapas en la descomposición:

1- la formación de detritus por acción física y biológica

2- la producción de humus y la liberación de elementos orgánicos solubles, por acción de los saprófogos

3- la mineralización más lenta del humus. Muchos elementos orgánicos forman compuestos complejos con alimentos minerales que refuerzan la absorción por las plantas. Una de las formas es el proceso llamado quelación, es decir, la formación compleja con iones metálicos, que mantienen elementos en solución y no tóxicos, en contraste con las sales de metal.

Muchos de los materiales tóxicos que el hombre vierte al medio ambiente, como herbicidas, pesticidas y efluentes, causan graves trastornos debido a su ritmo lento de degradación.

Además el hombre acelera la descomposición:

1- quemando materia orgánica almacenada en combustibles fósiles

2- mediante prácticas agrícolas que aumentan la velocidad de descomposición del humus.

HOMEOSTASIS

Homeostasis es el término empleado para significar la tendencia de los sistemas biológicos de resistir al cambio, de permanecer en estado de equilibrio. Los ecosistemas son capaces, lo mismo que sus poblaciones y organismos componentes, de autoconservarse y autoregularse.

La existencia de mecanismos homeostáticos en diferentes niveles de la organización biológica es ya bien conocido. Observamos que el equilibrio entre los organismos y el medio, puede mantenerse también por factores que se resistan al cambio en el sistema en su conjunto. Algunas poblaciones son reguladas por la densidad, que es retroalimentadas por medio de mecanismos de conducta para aumentar o reducir la reproducción (el "productor"), manteniendo así el volumen de la población dentro de límites establecidos. Otras poblaciones, en cambio, no parecen ser capaces de autolimitación, sino que están controladas por factores externos. Los mecanismos de control que funcionan a nivel del ecosistema incluyen los que regulan el almacenamiento en la liberación de elementos nutritivos y en la producción y la descomposición de sustancias orgánicas.

El juego entre los ciclos de materiales y la corriente de energía en ecosistemas grandes, producen una homeostasis autocorrectora, sin que se requiera el control o punto fijo alguno exterior.

Es importante destacar que existe el "altiplano homeostático" como una serie de niveles o pasos; a medida que aumenta la tensión, el sistema aunque controlado, podrá no estar en condiciones de volver exactamente al mismo nivel anterior. Por ejemplo, el dióxido de carbono introducido a la atmósfera por la actividad del hombre, es absorbido en gran parte, pero no totalmente, por el sistema de carbonato del mar; a medida que le entrada aumenta, los nuevos niveles de equilibrio son ligeramente superiores. En estas condiciones un cambio aún ligero, puede producir eventualmente efectos de gran consecuencia.

Un control homeostático verdaderamente bueno, viene solamente después de un período de ajuste evolutivo. Nuevos ecosistemas con nuevas combinaciones de parásito y huésped, propenden a oscilar más violentamente y a ser menos capaces de resistir las perturbaciones externas que los sistemas maduros, en los que los componentes han tenido la oportunidad de adaptarse mutuamente.

La idea actual de los ecosistemas y la comprensión de que la humanidad forma parte de los ciclos biogeoquímicos complejos, con un poder creciente para modificar los ciclos, son conceptos básicos de la ecología moderna y también un punto de vista de suma importancia en relación con los asuntos humanos en general y en la conservación de los recursos naturales.

De este modo, si la comprensión de los sistemas ecológicos y de la responsabilidad moral entre los hombres logra mantener el paso con la capacidad del hombre para efectuar cambios, el concepto actual de la "explotación ilimitada de los recursos" cederá el paso a la "inventiva ilimitada para la perpetuación de una abundancia cíclica de recursos.

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