Ecosistema

ECOSISTEMA

Un ecosistema, o sistema ecológico, es una unidad organizada en el espacio y el tiempo, formada por componentes bióticos y abióticos interrelacionados, a través de los cuales fluye la energía y circula la materia. Cuando se estudian los ciclos de las moléculas de circulación global, como CO2, el O2 o el agua, toda la Tierra puede concebirse como un ecosistema único, la ecósfera. Los científicos establecen los límites de los ecosistemas, tarea nada trivial si se entiende que se trata de sistemas abiertos que intercambian materia y energía con su entorno y están sujetos en forma permanente a cambios. En algunos casos, los límites están naturalmente asociados con cambios bruscos en la fisonomía de la vegetación o del paisaje, pero en otras ocasiones los límites son relativamente arbitrarios.

CAPITULO 1: LOS COMPLEJOS SISTEMAS ECOLOGICOS

Una laguna, una isla en el medio del mar o de un rio o de un bosque son ejemplos de ecosistemas. No obstante, un acuario o un terrario provisto adecuadamente también constituyen modelos de ecosistemas que pueden utilizarse para el estudio de ciertos problemas ecológicos como, por ejemplo, la circulación de algún mineral o el crecimiento de una especie determinada de algas bajo ciertas condiciones. En términos generales, los ecosistemas se pueden estudiar desde dos enfoques complementarios. Uno de ellos se centra en los procesos ecológicos, es decir, en las relaciones interpoblacionales y en los cambios cuantitativos que afectan a los individuos, las poblaciones y las comunidades que los integran, tanto de animales y plantas como de microorganismos. El otro enfoque presume que estas interacciones existen y que tienen dos consecuencias fundamentales que pueden ser comprendidas y analizadas:

• El flujo unidireccional de energía a través de organismos autótrofos (habitualmente fotosintéticos) hacia organismos heterótrofos que se alimentan de autótrofos o de otros heterótrofos.

• El proceso de reciclado de materiales que se mueven desde el medio abiótico, pasan a través de los cuerpos de los organismos vivos y regresan al medio abiótico. Este reciclado depende fuertemente de los descomponedores, organismos que degrada la materia orgánica y generan compuestos inorgánicos.

CAPITULO 2: LA ENERGIA Y SU FLUJO EN LOS ECOSISTEMAS

El modelo del flujo de energía en los ecosistemas de desarrollo en el intento de responder preguntas muy simples que surgían de las observaciones de los primeros naturalistas: ¿por qué los animales depredadores son en general pocos y grandes mientras que los herbívoros, en particular los más pequeños, suelen ser muy abundantes? Más aún, ¿por qué son tan abundantes las plantas, incluso los árboles? Estos fenómenos fueron descritos en 1972 por el ecólogo inglés Charles Elton (1900-1991), a través de las pirámides de números. Estas pirámides se construyen representando la cantidad de individuos por unidad de área en cada nivel. Los conjuntos de organismos que comen y son comidos (consumidores, depredadores, herbívoros y descomponedores y plantas) ocupan cada uno un piso de la pirámide, las plantas siempre en la base, los herbívoros sobre éstas y los carnívoros en el tope.

Una primera aproximación a la comprensión de este tipo de interrogantes se produjo varios años después, de la mano de la segunda ley de la termodinámica, esta ley considera-en términos físicos- que en un sistema en el que ocurren procesos de transformación de la energía, una parte de la energía útil se disipa, de modo que solo una fracción de la energía disponible puede ser usada al mismo tiempo que se produce un incremento de la entropía dentro del sistema. En los ecosistemas las plantas, las plantas aprovechan la energía lumínica que proporciona el sol y, mediante el proceso de fotosíntesis, la transforman en energía química, que queda almacenada en los carbohidratos sintetizados durante ese proceso. La energía necesaria para que los herbívoros de un ecosistema de desarrollen no puede ser mayor que la fijada por las plantas a través de la fotosíntesis, al mismos tiempo, los herbívoros solo pueden disponer de esa anergia si transforman los carbohidratos animales. Esta nueva transformación, tal como predice la segunda ley de la termodinámica, no tiene una eficiencia del ciento por ciento, ya que parte de la energía útil se disipa, e modo que los animales disponen de una cantidad menor de energía que las plantas. Esto explica porque los animales usualmente son menos abundantes que las plantas, como describió Elton en sus pirámides de números.

2.1 la energía solar y la atmosfera

La vida en la Tierra depende de la energía del sol. Sin embargo, en su paso por la atmosfera, la energía solar se disipa debido a diferentes procesos físicos, de modo que solo una fracción alcanza la superficie terrestre y queda a disposición de los organismos vivos.

La atmosfera puede dividirse en cuatro capas concéntricas que se distinguen por cambios en los patrones de temperatura. La capa más cercana a la Tierra de llama tropósfera. Alrededor del 75% de todas las moléculas de la atmosfera están contenidas en esta capa, que es esencial para el desarrollo de la vida en la Tierra. Casi todos los fenómenos incluidos bajo el término general de “condiciones atmosféricas y climáticas” ocurren dentro de la troposfera. Por encima de la troposfera se encuentran la estratosfera, la mesosfera y la termosfera o ionosfera.

Debido a las características de las diferentes capas de la atmosfera, la proporción de la radiación solar que llega a cada punto de la superficie terrestre a lo largo de un ciclo anual es muy variable en comparación con la insolación que recibe la capa más externa de la atmosfera. En promedio, del 100% de la energía solar que penetra en la atmosfera, alrededor del 50% no llega a la superficie terrestre. Por una parte, cerca del 30% se refleja hacia el espacio por la presencia de las nubes y el polvo de la troposfera. Esto hace que la Tierra, observada desde el espacio exterior, se vea como un planeta brillante, otro 20& de la energía no alcanza la superficie terrestre porque es absorbido: el 17% es capturado en las capas inferiores, principalmente por el vapor de agua, el polvo y las gotitas de agua que se encuentran suspendidas y el 3% restante-constituido por rayos X y rayos gamma, como también por rayos cósmicos- se absorbe en la ionosfera y provoca la ionización de átomos de oxigeno y nitrógeno. En la capa de ozono en cambio, se produce la absorción de las radiaciones ultravioletas. Todas estas radiaciones dañan a las moléculas orgánicas y si alcanzaran la superficie terrestre en grandes cantidades (como lo hicieron en un pasado remoto, antes de que la fotosíntesis produjera la capa protectora de oxigeno-ozono), serian letales para la mayoría de las formas de vida terrestre.

De la radiación que alcanza la superficie terrestre, una parte es reflejada y otra parte es absorbida. La proporción entre ambas magnitudes se representa mediante un estimador denominado albedo. El albedo es la cantidad, expresada en porcentaje, de la radiación reflejad en relación con la radiación incidente sobre cualquier superficie. Las superficies claras reflejan mayor cantidad de radiación, por lo cual tienen valores de albedo superiores a las oscuras, del mismo modo que las brillantes tienen mayores valores de albedo que las mates. El albedo medio de la Tierra es del 30-32% de la radiación solar que alcanza su superficie. Por su parte, la energía absorbida por la Tierra posteriormente es irradiada desde la superficie como ondas de longitud más larga (infrarroja), o sea, como calor.

La energía que llega a los océanos calienta su superficie y produce la evaporación de una gran masa de agua, anualmente de evapora el equivalente de una capa líquida de 1 metro de espesor y cuya superficie es la de la suma de las superficies de todos los cuerpos de agua de la Tierra. El vapor de agua se incorpora al ciclo del agua.

El vapor de agua junto a las moléculas de CO2, también ciertos compuestos nitrogenados, absorbe en forma directa la radiación infrarroja que llega a la Tierra. Como consecuencia de ello, el calor queda retenido en la atmosfera y la superficie terrestre se calienta.

La pérdida y ganancia de calor se encuentran en un delicado equilibrio, un incremento en la reflexión de la luz desde la Tierra, un espesamiento de su cubierta de nubes, un aumento o disminución del contenido de CO2 o una disminución en el grosor de la capa de ozono pueden producir cambios en todo el sistema. La naturaleza y el resultado de estos cambios, en particular los aumentos en la concentración del CO2 atmosférico y el adelgazamiento de la capa de ozono, son temas actuales de intensa investigación y preocupación.

2.2 la fijación de la anergia y los niveles tróficos

De la energía solar que alcanza la superficie de la Tierra, una fracción muy pequeña -alrededor del 0,1%- es aprovechada por los sistemas vivos. Incluso cuando la luz incide en una zona con vegetación abundante, como una selva, un maizal o un pantano, solo entre el 1% y el 3% de luz interviene en la fotosíntesis. Aun así una fracción tan pequeña como ésta resulta en la producción -a partir de CO2, agua y unos pocos minerales- de varios miles de gramos (en peso seco) de materia orgánica por año en un solo metro cuadrado de campo o de bosque, lo cual representa un total de más de cien mil millones de toneladas métricas de materia orgánica por año en todo el mundo. El ecólogo Eugene P. Odum, uno de los investigadores estadounidenses que mas aportes realizo para la comprensión del funcionamiento de los ecosistemas, utilizo una seria de diagramas del flujo para presentar esta dinámica.

Una vez fijada la energía solar por las plantas, su paso de un organismo a otro ocurre a través de la alimentación. Un organismo es comido por otro, éste por un tercero y así sucesivamente en una serie de niveles alimentarios o niveles tróficos que forman cadenas. Estas cadenas suelen tener pocos eslabones. En los ecosistemas habitualmente hay cinco eslabones como máximo debido a que, como ya se menciono, solo una pequeña fracción de energía que llega a la Tierra está disponible para el eslabón siguiente. A medida que la energía acumulada en cierto nivel trófico es utilizada y transformada en un nivel trófico superior, una parte de ella se disipa y, por lo tanto, la energía que se encuentra a disposición de consumidores de niveles crecientemente más altos va disminuyendo.

Si bien la idea de cadena trófica sugiere interacciones sucesivas y un flujo lineal de la energía almacenada, en la mayoría de los ecosistemas, las cadenas tróficas alimentarias están entrelazadas más complejas con muchas interconexiones. Una trama de este tipo puede involucrar a más de cien especies diferentes. En ella, los depredadores tienen más de un tipo de presa y cada tipo de presa es explotado por varias especies diferentes de depredadores.

2.3 eficiencia ecológica

El aprovechamiento de la energía en los distintos niveles tróficos del ecosistema se puede analizar a la luz del concepto de eficiencia ecológica. Este concepto alude a la capacidad relativa de los componentes bióticos de un ecosistema determinado para explotar sus recursos alimentarios y convertirlos en biomasa. El valor de este parámetro resulta de la suma de las eficiencias de todos los organismos que integran el ecosistema. La eficiencia ecológica depende principalmente de la eficiencia de asimilación –que es la proporción de energía consumida que se asimila- y de la eficiencia de producción neta, que es la proporción de energía asimilada que se destina al crecimiento, el almacenamiento y a la reproducción, a la que se ha sustraído la energía utilizada en la respiración.

En ecología vegetal, el concepto de eficiencia de producción se refiere a la capacidad de comunidad vegetal del ecosistema para aprovechar la energía del sol y se calcula como la relación entre la energía fijada por las plantas como producción primaria y la energía de la luz solar fotosintéticamente activa llega a ese ecosistema. Este índice varía entre el 30% y el 85%. Las plantas de crecimiento rápido en zonas templadas tienen, por ejemplo, eficiencias de producción neta más elevadas que en los trópicos. Esto se atribuye a que la mayor temperatura incrementa las pérdidas por respiración. Este fenómeno contribuye a explicar en parte por qué las regiones templadas tienen, en general, mayor productividad agrícola que las regiones cálidas, en situaciones comparables.

CAPITULO 3: LOS MOVIMIENTOS DE SUSTANCIAS INORGANICAS: LOS CICLOS BIOGEOQUIMICOS

La abundancia relativa de elementos en los organismos vivos difiere sustancialmente de la existencia del universo. Los organismos vivientes “seleccionan” los elementos que usan y su acción combinada tiene consecuencias profundas en las propiedades del ecosistema. El sílice –que corresponde al 30% de la corteza terrestre- sólo es usado efectivamente por algas diatomeas, al igual que el aluminio, el magnesio o el hierro, que son minerales muy abundantes en la corteza terrestre pero no lo son en los organismos vivos. En cambio, algunos elementos relativamente más raros en el ambiente abiótico, como el fosforo o el potasio, se encuentran en concentraciones mayores en los seres vivos.

El carbono entre en el ecosistema como un gas en el proceso de fotosíntesis y es transformado a lo largo de las cadenas tróficas en compuestos solidos de carbono reducido. El oxigeno es incorporado en forma gaseosa por medio de la respiración de todos los organismos y liberado de nuevo durante la fotolisis del agua. Tal es el caso del fosforo que se presenta como fosfato (PO4-), del ion calcio (Ca++) o el ion potasio (K+). Por ello, los seres vivos deben obtenerlos aislándolos de estas soluciones acuosas mediante procesos químicos y físicos que forman parte del metabolismo.

El nitrógeno, a diferencia de los ejemplos anteriores, puede ingresar en el ecosistema como un gas gracias a la actividad metabólica de las bacterias fijadoras. Posteriormente regresa a la atmosfera, también en estado gaseoso durante el proceso de desnitrificación, pero su movimiento dentro del ecosistema se produce en solución como ion amonio (NH4+). La circulación de estos iones en el ecosistema involucra un gasto de energía.

Como ya vimos, a consecuencia de la actividad metabólica de los descomponedores, los compuestos orgánicos son degradados a sustancias inorgánicas que quedan disponibles en el suelo o el agua. Desde allí, estas sustancias se vuelven a incorporar a los tejidos de los productores primarios, pasan a los consumidores y a los detritívoros y luego a los descomponedores, desde los cuales entran nuevamente en las plantas y así se repite el ciclo. Estos ciclos de la materia se denominan biogeoquímicos debido a que en ellos intervienen tanto componentes bióticos (animales y plantas) como abióticos: atmosfera, litosfera (la corteza sólida de la Tierra) e hidrosfera (océanos, lagos y ríos que cubren las tres cuartas partes de la superficie terrestre).

3.1 ecosistemas subsidiados

Un caso particular, pero relativamente frecuente, son los ecosistemas cuyos ciclos biogeoquímicos no cierran en ellos, ya que reciben un aporte adicional de energía química producida en otro ecosistema. Por esta razón se llaman ecosistemas subsidiados. Se trata, por ejemplo, de estuarios ricos en materia orgánica recibida de los tramos superiores de un rio. Otro ejemplo son los ecosistemas artificiales como los agroganaderos que reciben subsidios externos, como combustibles para la maquinarias, agroquímicos, fertilizantes derivados del petróleo y la aplicación de mano de obra o de tracción a sangre. Este tipo de situaciones son particularmente significativas en los ecosistemas urbanos.

CAPITULO 4: ESTRUCTURA DE UN ECOSISTEMA

4.1 Productores

Los ecosistemas requieren una fuente de energía para funcionar. La principal fuente de energía es la energía solar. Esta energía sólo puede ser captada por aquellos organismos que tengan en sus células las estructuras capaces de retener la energía solar en energía química. Estos organismos se denominan fotosintéticos o autótrofos, ya que realizan el proceso de la fotosíntesis y forman materia orgánica a partir de la energía solar, dióxido de carbono y agua. Son principalmente las algas y las plantas: Puesto que estos organismos producen materia orgánica se les llama también productores para distinguirlos de aquellos que sólo son capaces de tomar materia orgánica ya sintetizadas, los consumidores o heterótrofos.

Por tal motivo los productores son el origen de las cadenas alimenticias que se dan en los ecosistemas, por lo que forman el primer nivel alimenticio o trófico.

4.2 Consumidores

Los organismos heterótrofos son aquellos que requieren materia orgánica procedente de otros seres vivos por lo que se llaman consumidores. Hay varios tipos de consumidores:

• Los consumidores primarios que obtienen su alimento a partir de los productores. En términos generales se les denomina animales herbívoros y forman el segundo nivel trófico.

• Los consumidores secundarios obtienen su alimento a partir de los consumidores primarios y puesto que estos ya son animales se les llama carnívoros, formando el tercer nivel trófico.

• Hay animales carnívoros que se alimentan de otros carnívoros por lo que se llaman consumidores terciarios.

La energía que pasa de un nivel al siguiente se ha calculado en una media del 10%, por lo que el número de niveles trófico no suele pasar de cinco. A esta valoración se le llama regla del 10%.

4.3 Descomponedores

La materia orgánica formada en los productores y que contiene la energía para hacer funcionar a los organismos, ha ido pasando de productores a herbívoros, de estos a los carnívoros y así hasta el final de la cadena alimenticia. ¿Qué ocurre cuando los organismos mueren? Sobre estos organismos actúan los descomponedores, que suelen ser bacterias y hongos principalmente.

En primer lugar actúan algunos organismos que transforman la materia orgánica compleja en materia orgánica más sencilla, los organismos transformadores, para que en segundo lugar actúen otros organismos llamados mineralizadores que trasforman la materia orgánica sencilla en materia inorgánica o mineral.

La materia inorgánica se incorpora al medio ambiente y puede ser de nuevo aprovechada por los productores, de esa manera se incorpora de nuevo al primer nivel alimenticio, cerrando el llamado ciclo de la materia de un ecosistema.

CAPITULO 5: TIPOS DE ECOSISTEMAS

5.1 Ecosistemas terrestres

Los ecosistemas terrestres presentan muchas variaciones de fauna y vegetación, estando distribuidos en los distintos continentes y relacionados el clima de cada zona. En el mundo hay otros tales como la tundra, el bosque caducifolio, la sabana, el desierto, la selva tropical, etc. Los ecosistemas terrestres presentan las siguientes características:

• Los organismos productores viven fijos al suelo.

• Los herbívoros presentan una gran diversidad de especies, tanto vertebrados como invertebrados que han diversificado su alimentación (raíces, hojas, frutos, semillas, etc.)

• Los carnívoros han desarrollado estrategias diferentes de caza (depredadores como los lobos, hilo de las arañas, caza nocturna de los murciélagos, carroñeros como los buitres, etc.).

• El flujo de energía comienza en las hojas ya son estas las que realizan la fotosíntesis y por ello buscan la luz solar, creciendo para captar la mayor cantidad posible.

• Los organismos muertos se descomponen en el suelo y así los elementos pueden ser reutilizados en forma muy rápida por las plantas.

5.2 Ecosistemas acuáticos

En los ecosistemas acuáticos se pueden diferenciar los ecosistemas marinos y de agua dulce. Los ecosistemas marinos se caracterizan por la salinidad de sus aguas y comprenden todos los océanos del planeta. Los ecosistemas de agua dulce se encuentran en ríos, lagos y humedales, y tienen una baja concentración de sales. La salinidad del mar es de unos 35 g/l mientras que la de un río no llega a 1 g/l. Los ecosistemas acuáticos tienen las siguientes características:

• El nivel trófico de productores está formado por el fitoplancton y las algas, que se sitúan siempre en la zona superficial del agua donde hay luz.

• El zooplancton es el segundo nivel trófico y está formado principalmente por organismos unicelulares y organismos pluricelulares sencillos.

• Después aparecen los consumidores secundarios y terciarios, muy diversos y la mayoría se desplazan en el agua.

• El flujo de energía comienza en el fitoplancton y se produce de arriba, desde la superficie del agua, hacia las capas más profundas del mar.

• La materia que procede de los organismos muertos se acumula en el fondo marino, donde puede permanecer mucho tiempo, con retorno es muy lento.

5.3 Ecosistemas urbanos

Los seres humanos viven en ciudades y éstas pueden ser consideradas también como ecosistemas especiales. En las ciudades la especie dominante el ser humano y el medio físico lo forman las estructuras construidas por el mismo: edificios, calles, puentes. La acumulación de calor en las ciudades hace que la temperatura de una ciudad pueda ser de hasta 2 grados más elevada que la del entorno natural circundante. El ecosistema urbano tiene las siguientes características:

• El nivel de productores es nulo ya que los alimentos tienen origen externo y por ello sólo se dan los niveles tróficos de consumidores.

• Entre los consumidores, además del ser humano, en la ciudad viven otras especies como palomas, gatos, perros, etc.

• Se requiere gran cantidad de agua potable que se devuelve al medio en peores condiciones, aunque sea depurada.

• La energía que necesita la ciudad proviene del consumo de electricidad y de los combustibles fósiles que generan CO2 y otros contaminantes atmosféricos, además de cierta cantidad de calor que se libera al medio.

• El ciclo de la materia es incompleto ya que la mayoría de los residuos se acumulan en vertederos y muchos son difíciles de reciclar, como los plásticos.

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