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Unidad X. La Biosfera II. Energía y materia en el ecosistema

Este documento trata sobre la biosfera, los ecosistemas y el flujo de energía y materia a través de las cadenas tróficas. Explica que la energía proviene principalmente de la luz solar y fluye de manera unidireccional a través de los productores, consumidores y descomponedores, perdiéndose a medida que pasa de un nivel trófico a otro. También describe conceptos como biomasa, producción, productividad y eficiencia ecológica para medir y comparar los flujos de energía entre

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UNIDAD 10 LA BIOSFERA II. ENERGÍA Y MATERIA EN EL ECOSISTEMA
ESTRUCTURA TRÓFICA Y FLUJO DE ENERGÍA EN LOS ECOSISTEMAS. El flujo de energía que llega del sol es el responsable del mantenimiento de todos los procesos vitales de la biosfera. El planeta es un sistema abierto desde el punto de vista energético y experimenta continuas pérdidas de energía en forma de calor hacia el espacio exterior. La energía se degrada en su paso unidireccional por el ecosistema, de manera que no se recupera. Por ello constituye un ciclo abierto. Po su parte, la materia circula en los ecosistemas formando un ciclo cerrado. Esto significa que determinados nutrientes, tras ser asimilados por unos organismos, pasan a formar parte de otros, para, finalmente, volver al medio en forma de materia inorgánica.
ECOSFERA
Distribución de la radiación solar total en la superficie de la Tierra
Distribución de la radiación solar en España
Los organismos autótrofos son los responsables de la transformación de la energía radiante solar en energía química (fijación de la energía), mediante el proceso de la fotosíntesis.
Los organismos heterótrofos, que son incapaces de fijar la energía del Sol para fabricar sus moléculas orgánicas, deben adquirir las macromoléculas ricas en energía directamente de los organismos autótrofos o de otros seres heterótrofos. Más tarde, cuando autótrofos y heterótrofos necesiten energía degradarán estas moléculas mediante la respiración.
Los vegetales, mediante sus órganulos fijadores de energía (cloroplastos), son los principales protagonistas de la captación de energía luminosa, siendo insignificante el papel de las cianobacterias y de las bacterias fotosintéticas.
Por último, las bacterias quimiosintéticas, cuya producción resulta irrelevante en la superficie terrestre, son cruciales en las biocenosis ligadas a las emisiones termales (humeros) del fondo de los océanos, ya que son los productores en esos ecositemas sin luz del fondo oceánico.
Diagrama del flujo de energía en un ecosistema. La energía que atraviesa un ecosistema va disminuyendo a medida que pasa de unos niveles tróficos a otros.
• Podemos reconocer básicamente tres niveles de organismos en una biocenosis en función de cómo obtienen sus nutrientes: • PRODUCTORES. Fijan y almacenan la energía solar en forma de moléculas orgánicas a partir de compuestos inorgánicos. • CONSUMIDORES. Se nutren a expensas de la materia orgánica ya elaborada. Son: – Consumidores propiamente dichos. Se alimentan de materia orgánica viva. Son primarios, secundarios, terciarios y omnívoros. – Sapróbios o detritívoros. Se alimentan de materia orgánica muerta. Son necrófagos o carroñeros, saprófagos que se alimentan de restos de plantas o cadáveres claramente alterados y coprófagos que se alimentan de excrementos de animales como los escarabajos peloteros. • DESCOMPONEDORES. Son las bacterias y hongos. Se les llama también transformadores, reductores, mineralizadores o saprofitos
AUTÓTROFOS FOTOSINTÉTICOS: Bacterias, Cianobacterias, algas unicelulares y pluricelulares y plantas superiores. CO2 + H2O PRODUCTORES Mat. orgánica + O2 QUIMIOSINTÉTICOS: Obtienen la energía de la oxidación de ciertas moléculas inorgánicas. Son bacterias autótrofas independientes de la luz. RESPIRACIÓN: Mat. orgánica + O2 CO2 + H2O + Calor FORMAN SUS PROPIAS ESTRUCTURAS CONSUMIDORES Detritívoros o CONSUMIDORES PRIMARIOS O HERBÍVOROS saprobios HETERÓTROFOS RESPIRACIÓN: Mat. orgánica + O2 CO2 + H2O + Calor FORMAN SUS PROPIAS ESTRUCTURAS TRANSFORMADORES CONSUMIDORES SECUNDARIOS O CARNÍVOROS CONSUMIDORES TERCIARIOS O SUPERPREDADORES DESCOMPONEDORES CALOR HETERÓTROFOS SAPRÓFITOS Bacterias y hongos que transforman: Materia inorgánica y Materia orgánica e orgánica compleja inorgánica sencilla MINERALIZADORES AUTÓTROFOS QUIMIOSINTÉTICOS Transforman la materia orgánica en compuestos minerales
Diagrama del flujo de energía en un ecosistema. La energía que atraviesa un ecosistema va disminuyendo a medida que pasa de unos niveles tróficos a otros.
Diagrama del flujo de energía en un ecosistema. La energía que atraviesa un ecosistema va disminuyendo a medida que pasa de unos niveles tróficos a otros.
CADENA Y RED TRÓFICA Los organismos están conectados tróficamente unos con otros. Para visualizar claramente estas relaciones alimentarias hay tres modelos: cadenas tróficas, redes tróficas y pirámides tróficas. CADENAS TRÓFICAS REDES TRÓFICAS
CADENA Y RED TRÓFICA CADENA TRÓFICA
CADENA Y RED TRÓFICA RED TRÓFICA
PARÁMETROS TRÓFICOS • BIOMASA: Es la cantidad en peso de materia orgánica viva o muerta de cualquier nivel trófico o de cualquier ecosistema. Se mide en gr., kg., y en unidades de energía. Un gr. de materia orgánica equivale a 4 ó 5 kcal. y se expresa en unidades de área o volumen. Ej.: kgC/m2. C=materia orgánica.
La biosfera tiene una cantidad de biomasa insignificante con respecto a la necromasa, siendo aún mucho mayores las reservas resultantes de la acumulación de carbono reducido (carbón o petróleo) por organismos de otros tiempos geológicos.
PARÁMETROS TRÓFICOS • PRODUCCIÓN: Se refiere al incremento de biomasa de un ecosistema o de uno de sus niveles tróficos. • Producción primaria (Pp) es la cantidad de energía luminosa transformada en energía química por los vegetales. • Producción secundaria (Ps) es el nombre que recibe el almacenamiento de energía en los tejidos de los organismos heterótrofos. En los dos casos: • Producción bruta (Pb): Energía fijada por unidad de tiempo. En productores es el total sintetizado por día o año incluyendo la que se consume en la respiración y en consumidores el alimento asimilado que no es el consumido. • Producción neta (Pn): Materia orgánica que queda después de descontar la respiración. Es la que podrá ser transferida al nivel siguiente. Refleja el aumento de biomasa por unidad de tiempo. Pn = Pb – R R = respiración
PRODUCCIÓN DE LA BIOSFERA Producción anual (entre bruta y neta) (gC/m2) Extensión (106 km2) Producción anual (106 ton C) Bosques 400 41 16 400 Cultivos 350 15 5 250 Estepas y pastos 200 30 6 000 50 40 2 000 0 22 0 148 29 650 361 36 100 Desiertos Rocas, hielos, ciudades Tierras Océanos 100 Aguas continentales 100 Aguas Total 1.9 190 362.9 36 290 65 940
PARÁMETROS TRÓFICOS • PRODUCTIVIDAD de un ecosistema, o de uno de sus niveles tróficos, consiste en la relación entre la producción (P) y la biomasa mantenida (B) por unidad de p=P/B Representa la velocidad con que se renueva la biomasa y la eficiencia con que se transmite la energía de un nivel trófico del ecosistema al siguiente.
PARÁMETROS TRÓFICOS • PRODUCTIVIDAD BRUTA (pB) o flujo de energía al nivel trófico considerado. pB = PB / B • PRODUCTIVIDAD NETA (r) o tasa de renovación. Señala la velocidad de renovación de la biomasa del ecosistema o nivel trófico. Puede variar entre 0 y 1 (como valor máximo=100%). r = PN / B • TIEMPO DE RENOVACIÓN (tr) de la biomasa de un sistema o nivel trófico . Representa el tiempo que tarda en renovarse un nivel trófico. Se mide en días, años, etc. tr = B / PN
En un pastizal, cuya estructura es simple, el tiempo de permanencia de los elementos es breve, y su renovación (productividad), muy alta (p<1). En ciertos momentos del ciclo vegetativo su productividad diaria puede acercarse al de las comunidades planctónicas.
En el cultivo, la productividad es máxima (p=1), dado que la totalidad de la biomasa producida es extraída en la recolección. La renovación de biomasa se puede considerar continua.
En el bosque maduro ocurre lo contrario: presenta una gran cantidad de biomasa que se mantiene constante. Se puede aceptar que toda la energía que le llega se emplea en su automantenimiento y no se produce un aumento de materia y energía. Cada nivel trófico consume la producción neta del nivel precedente, sin variar la biomasa. Por tanto, la respiración es lo que condiciona que la productividad sea inferior a la del pasto (p=0).
El mayor grado de organización y estabilidad del ecosistema va unido a una baja velocidad de renovación de sus elementos, a una disminución del flujo de energía que lo atraviesa y a un aumento de la biodiversidad. Un ejemplo real son las selvas tropicales, con una producción muy alta, la productividad, por el contrario, es inferior a la de los pastos o praderas, debido a la elevada biomasa permanente que presentan.
ECOSISTEMA Biomasa (mg C/m3) Producción (mg C/m3) - día Plantas 60.000 1.200 Herbívoros 6.000 40 Carnívoros 400 1 Carnívoros II 48 0,03 Observa los datos de la tabla y realiza estas actividades: •Compara los valores de biomasa y producción en los diferentes niveles tróficos y saca alguna conclusión. Se observa que ambos parámetros van disminuyendo según la regla del 10% •¿Qué ocurre con la productividad y el tiempo de renovación a lo largo de la cadena trófica. La productividad va disminuyendo: 0.02, 0.006, 0,002, 0.0006 y el tiempo de renovación va aumentando, ya que, por regla general, los últimos eslabones tardan más tiempo en crecer: 50, 150, 400 y 1600 días. •¿Por qué el número de eslabones es tan reducido? Dado que la energía que pasa de un eslabón a otro es sólo el 10% de la contenida en él, si lo productores fijaran una unidad, los herbívoros recibirían la décima parte , los carnívoros I, la centésima, etc... De forma que el paso de energía a los últimos eslabones es insignificante. •Calcula la productividad total del ecosistema. ¿Presenta un porcentaje elevado o bajo?¿Cuál crees que puede ser el motivo? La productividad total del sistema es Pn/B= 1.241,03 / 66,448 = 0,018, cantidad muy pequeña si la comparamos con la máxima que sería la unidad. Esto quiere decir que el sistema tiene mucha biomasa, puesto que presenta un gran gasto respiratorio.
PARÁMETROS TRÓFICOS EFICIENCIA ECOLÓGICA. La eficiencia ecológica describe la eficacia con la cual la energía se transfiere de un nivel trófico a otro y se puede definir como el aprovechamiento de la energía que se transfiere de un nivel trófico (n-1) al siguiente (n), y puesto que en la transferencia siempre se disipa calor, será mayor la eficiencia cuanto menor sea la pérdida.
La energía que pasa de un eslabón a otro es aproximadamente el 10% de la acumulada en él. (Regla de Lindeman) Nº de eslabones limitado
Un animal quema continuamente su suministro de combustible para realizar el trabajo de vivir. expulsando los gases de la combustión por las chimeneas de sus fosas nasales y despidiendo calorías al espació exterior en forma de calor de radiación. El animal utiliza su propia carne, reemplazando la materia consumida por medio de la ingestión de más alimentos, y quemando después la mayor parte de éstos. Este proceso de consumo de la materia por los fuegos de la vida tiene lugar en todos los niveles de las pirámides tróficas, y los fuegos se ven continuamente refrescados por las plantas sobre las que reposan las pirámides animales. En cada nivel sucesivo de las pirámides, los animales tienen que conformarse con el combustible (alimento) que pueden arrebatarle al nivel inferior. Pero solo pueden arrancarle una fracción de lo que este nivel no haya consumido ya, y con ello, los habitantes de las capas superiores deben no sólo construir sus propios cuerpos; sino también alimentar sus vidas. Es este el motivo por el que su población es sólo una fracción de las poblaciones de los niveles tróficos inferiores, lo que viene a decir que son escasos. Del libro ¿Por qué son escasas las fieras? Paul A. Colinvaux 1978. Pág. 28
PARÁMETROS TRÓFICOS En función de la ley del diez por ciento, a medida que la energía va fluyendo a niveles tróficos superiores la reducción del flujo energético es progresiva, dado que cada nivel trófico tiene a su disposición únicamente una fracción del que lo precede, que es del orden del 10 por ciento. La eficiencia ecológica describe la eficiencia con la cual la energía se transfiere de un nivel trófico a otro.
FACTORES QUE REGULAN LA PRODUCCIÓN PRIMARIA En conjunto, la biosfera utiliza menos del uno por mil de la energía del Sol que alcanza la superficie terrestre. Tan baja eficiencia se debe a una serie de factores que limitan o regulan la producción de los organismos autótrofos. El crecimiento de una especie vegetal se ve limitado por un único elemento que se encuentra en cantidad inferior a la mínima necesaria y que actúa como factor limitante. • Luz • Nutrientes (nitrógeno y fósforo) • Temperatura • Agua • Concentración de CO2
Factores limitantes • Luz: Una mayor cantidad de luz provoca un aumento de la productividad hasta cierto nivel, sobrepasado el cual no aumenta la productividad. • El agua: Permite el crecimiento, al servir de vehículo a las sales minerales y sin ella los estomas se cierran e impiden el paso de CO2.
• La temperatura: Un aumento incrementa la producción, pero si aumenta en exceso decrece bruscamente. • Concentración de CO2: Niveles altos de CO2 aumentan la productividad como ocurre en invernaderos. Si el nivel es bajo cae la fotosíntesis, debido a que la enzima RuBisCO promueve la fotorrespiración. [CO2]  [CO2] Según como tenga lugar este proceso existen dos tipos de plantas : • • C3 (normales),p.ej. Trigo, patata, arroz, tomate judías. C4 (soportan bajos niveles CO2),p.ej. Maíz, caña de azúcar, sorgo, mijo.
• Nitrógeno y fósforo: Estos nutrientes son factores limitantes muy importantes. La riqueza y productividad de los ecosistemas dependen de los mecanismos de reciclado de los nutrientes. En ecosistemas marinos son mucho más condicionantes debido a la dificultad para el reciclado. AFLORAMIENTO
VALENCIA ECOLÓGICA: campo o intervalo de tolerancia de una especie respecto a un factor cualquiera del medio (luz, temperatura, humedad, fósforo, nitrógeno, pH, etc.), que actúa como factor limitante. Desde este punto de vista podemos considerar especies: • EURIONICAS: Son poco exigentes respecto a los valores alcanzados por un determinado factor. Suelen ser generalistas, r estrategas. Son más tolerantes a las variaciones del medio, pero en general poco abundantes. • ESTENOICAS: Aunque son más exigentes con un determinado factor, cuando las condiciones son las adecuadas, el número de individuos es bastante elevado. Son estrategas k, especialistas que responden de mejor forma cuando las condiciones son propicias.
Valencia ecológica de una especie de vegetal.
PIRÁMIDES TRÓFICAS O ECOLÓGICAS • Son representaciones hechas con rectángulos superpuestos de cada uno de estos niveles. Pueden ser : • De números: Representa en número concreto de individuos concreto que se encuentran en el ecosistema, por unidad de superficie o de volumen, en un momento dado. Pueden ser invertidas. • De biomasa: Son mucho mas representativas que las anteriores. Los escalones corresponden a las biomasas de cada categoría. Pueden ser invertidas, como ocurre cuando se muestrea un ecosistema marino inmediatamente después de un periodo de consumo máximo de los productores, por lo que estos presentan una biomasa inferior a la de otros niveles. Su existencia temporal es posible debido a la rápida multiplicación del fitoplancton. • De energía o pirámides de producción: Representan el contenido energético de cada nivel. Siguen la regla del 10% y tienen forma de una verdadera pirámide.
Pirámide de números Pirámide de biomasa de un ecosistema marino Pirámide de energía Pirámide de biomasa de un ecosistema terrestre
LAS PIRÁMIDES TRÓFICAS Un animal quema continuamente su suministro de combustible para realizar el trabajo de vivir. expulsando los gases de la combustión por las chimeneas de sus fosas nasales y despidiendo calorías al espació exterior en forma de calor de radiación. El animal utiliza su propia carne, reemplazando la materia consumida por medio de la ingestión de más alimentos, y quemando después la mayor parte de éstos. Este proceso de consumo de la materia por los fuegos de la vida tiene lugar en todos los niveles de las pirámides tróficas, y los fuegos se ven continuamente refrescados por las plantas sobre las que reposan las pirámides animales. En cada nivel sucesivo de las pirámides, los animales tienen que conformarse con el combustible (alimento) que pueden arrebatarle al nivel inferior. Pero solo pueden arrancarle una fracción de lo que este nivel no haya consumido ya, y con ello, los habitantes de las capas superiores deben no sólo construir sus propios cuerpos; sino también alimentar sus vidas. Es este el motivo por el que su población es sólo una fracción de las poblaciones de los niveles tróficos inferiores, lo que viene a decir que son escasos. Del libro ¿Por qué son escasas las fieras? Paul A. Colinvaux 1978. Pág. 28
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS DEL C, N, P, S Y O. Elementos químicos en el ecosistema. Los seres vivos están formados por elementos químicos, fundamentalmente por oxígeno, hidrógeno, carbono y nitrógeno que, en conjunto, suponen más del 95% de peso de los seres vivos. El resto es fósforo, azufre, calcio, potasio, y un largo etcétera de elementos presentes en cantidades muy pequeñas, aunque algunos de ellos muy importantes para el metabolismo. Estos elementos también se encuentran en la naturaleza no viva, acumulados en depósitos. Así, en la atmósfera hay O2, N2 y CO2. En el suelo H2O, nitratos, fosfatos y otras sales. En las rocas fosfatos, carbonatos, etc. Transferencia cíclica de los elementos Algunos seres vivos son capaces de captarlos de los depósitos inertes en los que se acumulan. Después van transfiriéndose en las cadenas tróficas de unos seres vivos a otros, siendo sometidos a procesos químicos que los van situando en distintas moléculas. Ciclos de los elementos – flujo de energía Los ciclos de los elementos mantienen una estrecha relación con el flujo de energía en el ecosistema, ya que la energía utilizable por los organismos es la que se encuentra en enlaces químicos uniendo los elementos para formar las moléculas.
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS • Ciclos de nutrientes gaseosos: carbono y nitrógeno • Ciclos de ambientes sedimentario: fósforo y azufre.
CICLO DEL CARBONO Respiración CO2 atmosférico Fotosíntesis* Desforestación PROCESOS BIOLÓGICOS Eq uili bri oa tm ós (D f er ifu a-o sió nd cé an ire o ct a ) H2CO3 en agua que ataca a Carbonatos y Silicatos SERES VIVOS PRODUCTORES CONSUMIDORES 1OS HCO3- ,Ca2+ y SiO2 disuelta niz ac ió n *La fotosíntesis moviliza cada año el 5% del CO2 atmosférico. bus t i ón Com Ca rb o CARBÓN PETRÓLEO GAS NATURAL es cion Erup nicas á volc RESTOS MUERTOS TEJIDOS ANIMALES ENDURECIDOS Diag énes is CONSUMIDORES 2 OS ROCAS CARBONATADAS SILICATADAS
CICLO DEL CARBONO
CICLO DEL NITRÓGENO N2 atmosférico Desnitrificación por bacterias anaerobias (Pseudomonas) Fijación por microorganismos*, tormentas y por la industria (amoniaco, abonos,…) Erupciones volcánicas Combustibles fósiles NOx (todos los óxidos de nitrógeno) HNO3 Lluvia ácida SUELO NO3 Nitrobacter NITRATACIÓN NO2Nitritos Nitrosomonas NITRIFICACIÓN NH4+ Bacterias Amoniaco UREA Nitratos Descomposición, putrefacción y amonificación por bacterias (Clostridium) PRODUCTORES Ac. Nucleicos Proteínas CONSUMIDORES Ac. Nucleicos Proteínas *Es el segundo factor limitante de la producción primaria después del fósforo, pero a diferencia de éste, hay microorganismos capaces de captarlo de la atmósfera (cianobacterias, hongos como el actinomiceto del género Frankia o géneros de bacterias Rhizobium y Azotobacter).
CICLO DEL NITRÓGENO
GUANO
CICLO DEL FÓSFORO* -Ac. Nucleicos -Ac. Nucleicos PRODUCTORES -ATP-ADP-AMP CONSUMIDORES -Compuestos orgánicos con P FOSFATOS DISUELTOS FOSFATOS INORGÁNICOS SUELO Y ROCAS SEDIMENTARIAS -Esqueletos Ca 3(PO4)2 FOSFATOS DISUELTOS EN EL OCÉANO -Mineral (Apatito) SEDIMENTACIÓN EN EL FONDO DEL OCÉANO -Guano (abono)** GUANO -Compuestos orgánicos con P Pes ca e qu s ria re te c n ba ina s la lim y e n de n ció re ue a ac M rl po s sto -ATP-ADP-AMP AVES Procesos geológicos muy lentos (105-108 años) *El fósforo está en su mayor parte inmovilizado en los fondos oceánicos y constituye el principal factor limitante de la producción primaria porque su liberación depende del ciclo geológico y es muy lenta (105-108 años) . Se considera un recurso no renovable. ** Con la extracción de fosfatos en las minas y el uso del guano para fertilizantes el hombre acelera el proceso natural y la velocidad del ciclo. PECES afloramientos
CICLO DEL FÓSFORO
GUANO
Esquema de un afloramiento, el agua profunda asciende da la suferficie arrastrando los nutrientes que fertilizan el fitoplancton. La energía externa que lo hace posible es la del viento. VOLVER A FACTORES LIMITANTES
CICLO DEL AZUFRE ATMÓSFERA SO2 H2SO4 SO3 Dióxido de azufre Ácido suflúrico Trióxido de azufre H2S PRODUCTORES SO4= H2S aas Sulfuro de hidrogeno B y acte ho r ng ias os Sulfato CONSUMIDORES aas s Bacteria s y hongo Lluvia ácida Sulfuro de hidrógeno QUEMA DE COMBUSTIBLES FÓSILES VOLCANES AGUAS TERMALES ALGAS DMS H2S SUELO SO4= Sulfuro de rias hidrógeno cte Ba cas téti sin mio qui Sulfatos (yesos) CARBÓN, PETRÓLEO, PIZARRAS Y OTRAS ROCAS CON SULFUROS (Sulfuro de Fe: pirita) SO2 - Dióxido de azufre H2S - Sulfuro de hidrógeno OCÉANO SO4= - Sulfato aas - aminoácidos DMS: dimetil sulfuro
CICLO DEL AZUFRE
CICLO DEL OXÍGENO

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Tema 14. MUTACIONES Y EVOLUCIÓN
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Presentacion Evolución Humana
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Origen y evolución del hombre
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Presentación Tema de repaso. Modelado del relieve
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Presentación Tema 6. Ecología
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Presentación Tema 5. Evolución II
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Presentación Tema 4. Genética
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Presentación Tema 5. Evolución I
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Presentación Tema 3. La célula y la teoría celular
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Presentación Tema 2. Tectónica de placas y sus consecuencias I
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Presentación Tema 2. Tectónica de placas y sus consecuencias II
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Presentación Tema 1. Historia de la tierra y de la vida
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9. Ecología y ecosistemas
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7. Relación y coordinación humana II
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3. Aparato digestivo
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3. Aparato respiratorio
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6. Relación y coordinación humana
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8. Salud y enfermedad
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Unidad X. La Biosfera II. Energía y materia en el ecosistema

  • 1.
    UNIDAD 10 LA BIOSFERAII. ENERGÍA Y MATERIA EN EL ECOSISTEMA
  • 2.
    ESTRUCTURA TRÓFICA YFLUJO DE ENERGÍA EN LOS ECOSISTEMAS. El flujo de energía que llega del sol es el responsable del mantenimiento de todos los procesos vitales de la biosfera. El planeta es un sistema abierto desde el punto de vista energético y experimenta continuas pérdidas de energía en forma de calor hacia el espacio exterior. La energía se degrada en su paso unidireccional por el ecosistema, de manera que no se recupera. Por ello constituye un ciclo abierto. Po su parte, la materia circula en los ecosistemas formando un ciclo cerrado. Esto significa que determinados nutrientes, tras ser asimilados por unos organismos, pasan a formar parte de otros, para, finalmente, volver al medio en forma de materia inorgánica.
  • 3.
  • 5.
    Distribución de laradiación solar total en la superficie de la Tierra
  • 6.
    Distribución de laradiación solar en España
  • 7.
    Los organismos autótrofosson los responsables de la transformación de la energía radiante solar en energía química (fijación de la energía), mediante el proceso de la fotosíntesis.
  • 8.
    Los organismos heterótrofos,que son incapaces de fijar la energía del Sol para fabricar sus moléculas orgánicas, deben adquirir las macromoléculas ricas en energía directamente de los organismos autótrofos o de otros seres heterótrofos. Más tarde, cuando autótrofos y heterótrofos necesiten energía degradarán estas moléculas mediante la respiración.
  • 9.
    Los vegetales, mediantesus órganulos fijadores de energía (cloroplastos), son los principales protagonistas de la captación de energía luminosa, siendo insignificante el papel de las cianobacterias y de las bacterias fotosintéticas.
  • 10.
    Por último, las bacterias quimiosintéticas, cuya producción resulta irrelevante enla superficie terrestre, son cruciales en las biocenosis ligadas a las emisiones termales (humeros) del fondo de los océanos, ya que son los productores en esos ecositemas sin luz del fondo oceánico.
  • 12.
    Diagrama del flujode energía en un ecosistema. La energía que atraviesa un ecosistema va disminuyendo a medida que pasa de unos niveles tróficos a otros.
  • 13.
    • Podemos reconocerbásicamente tres niveles de organismos en una biocenosis en función de cómo obtienen sus nutrientes: • PRODUCTORES. Fijan y almacenan la energía solar en forma de moléculas orgánicas a partir de compuestos inorgánicos. • CONSUMIDORES. Se nutren a expensas de la materia orgánica ya elaborada. Son: – Consumidores propiamente dichos. Se alimentan de materia orgánica viva. Son primarios, secundarios, terciarios y omnívoros. – Sapróbios o detritívoros. Se alimentan de materia orgánica muerta. Son necrófagos o carroñeros, saprófagos que se alimentan de restos de plantas o cadáveres claramente alterados y coprófagos que se alimentan de excrementos de animales como los escarabajos peloteros. • DESCOMPONEDORES. Son las bacterias y hongos. Se les llama también transformadores, reductores, mineralizadores o saprofitos
  • 14.
    AUTÓTROFOS FOTOSINTÉTICOS: Bacterias, Cianobacterias,algas unicelulares y pluricelulares y plantas superiores. CO2 + H2O PRODUCTORES Mat. orgánica + O2 QUIMIOSINTÉTICOS: Obtienen la energía de la oxidación de ciertas moléculas inorgánicas. Son bacterias autótrofas independientes de la luz. RESPIRACIÓN: Mat. orgánica + O2 CO2 + H2O + Calor FORMAN SUS PROPIAS ESTRUCTURAS CONSUMIDORES Detritívoros o CONSUMIDORES PRIMARIOS O HERBÍVOROS saprobios HETERÓTROFOS RESPIRACIÓN: Mat. orgánica + O2 CO2 + H2O + Calor FORMAN SUS PROPIAS ESTRUCTURAS TRANSFORMADORES CONSUMIDORES SECUNDARIOS O CARNÍVOROS CONSUMIDORES TERCIARIOS O SUPERPREDADORES DESCOMPONEDORES CALOR HETERÓTROFOS SAPRÓFITOS Bacterias y hongos que transforman: Materia inorgánica y Materia orgánica e orgánica compleja inorgánica sencilla MINERALIZADORES AUTÓTROFOS QUIMIOSINTÉTICOS Transforman la materia orgánica en compuestos minerales
  • 15.
    Diagrama del flujode energía en un ecosistema. La energía que atraviesa un ecosistema va disminuyendo a medida que pasa de unos niveles tróficos a otros.
  • 16.
    Diagrama del flujode energía en un ecosistema. La energía que atraviesa un ecosistema va disminuyendo a medida que pasa de unos niveles tróficos a otros.
  • 17.
    CADENA Y REDTRÓFICA Los organismos están conectados tróficamente unos con otros. Para visualizar claramente estas relaciones alimentarias hay tres modelos: cadenas tróficas, redes tróficas y pirámides tróficas. CADENAS TRÓFICAS REDES TRÓFICAS
  • 18.
    CADENA Y REDTRÓFICA CADENA TRÓFICA
  • 19.
    CADENA Y REDTRÓFICA RED TRÓFICA
  • 20.
    PARÁMETROS TRÓFICOS • BIOMASA:Es la cantidad en peso de materia orgánica viva o muerta de cualquier nivel trófico o de cualquier ecosistema. Se mide en gr., kg., y en unidades de energía. Un gr. de materia orgánica equivale a 4 ó 5 kcal. y se expresa en unidades de área o volumen. Ej.: kgC/m2. C=materia orgánica.
  • 21.
    La biosfera tieneuna cantidad de biomasa insignificante con respecto a la necromasa, siendo aún mucho mayores las reservas resultantes de la acumulación de carbono reducido (carbón o petróleo) por organismos de otros tiempos geológicos.
  • 22.
    PARÁMETROS TRÓFICOS • PRODUCCIÓN:Se refiere al incremento de biomasa de un ecosistema o de uno de sus niveles tróficos. • Producción primaria (Pp) es la cantidad de energía luminosa transformada en energía química por los vegetales. • Producción secundaria (Ps) es el nombre que recibe el almacenamiento de energía en los tejidos de los organismos heterótrofos. En los dos casos: • Producción bruta (Pb): Energía fijada por unidad de tiempo. En productores es el total sintetizado por día o año incluyendo la que se consume en la respiración y en consumidores el alimento asimilado que no es el consumido. • Producción neta (Pn): Materia orgánica que queda después de descontar la respiración. Es la que podrá ser transferida al nivel siguiente. Refleja el aumento de biomasa por unidad de tiempo. Pn = Pb – R R = respiración
  • 23.
    PRODUCCIÓN DE LABIOSFERA Producción anual (entre bruta y neta) (gC/m2) Extensión (106 km2) Producción anual (106 ton C) Bosques 400 41 16 400 Cultivos 350 15 5 250 Estepas y pastos 200 30 6 000 50 40 2 000 0 22 0 148 29 650 361 36 100 Desiertos Rocas, hielos, ciudades Tierras Océanos 100 Aguas continentales 100 Aguas Total 1.9 190 362.9 36 290 65 940
  • 24.
    PARÁMETROS TRÓFICOS • PRODUCTIVIDADde un ecosistema, o de uno de sus niveles tróficos, consiste en la relación entre la producción (P) y la biomasa mantenida (B) por unidad de p=P/B Representa la velocidad con que se renueva la biomasa y la eficiencia con que se transmite la energía de un nivel trófico del ecosistema al siguiente.
  • 25.
    PARÁMETROS TRÓFICOS • PRODUCTIVIDAD BRUTA(pB) o flujo de energía al nivel trófico considerado. pB = PB / B • PRODUCTIVIDAD NETA (r) o tasa de renovación. Señala la velocidad de renovación de la biomasa del ecosistema o nivel trófico. Puede variar entre 0 y 1 (como valor máximo=100%). r = PN / B • TIEMPO DE RENOVACIÓN (tr) de la biomasa de un sistema o nivel trófico . Representa el tiempo que tarda en renovarse un nivel trófico. Se mide en días, años, etc. tr = B / PN
  • 26.
    En un pastizal,cuya estructura es simple, el tiempo de permanencia de los elementos es breve, y su renovación (productividad), muy alta (p<1). En ciertos momentos del ciclo vegetativo su productividad diaria puede acercarse al de las comunidades planctónicas.
  • 27.
    En el cultivo,la productividad es máxima (p=1), dado que la totalidad de la biomasa producida es extraída en la recolección. La renovación de biomasa se puede considerar continua.
  • 28.
    En el bosquemaduro ocurre lo contrario: presenta una gran cantidad de biomasa que se mantiene constante. Se puede aceptar que toda la energía que le llega se emplea en su automantenimiento y no se produce un aumento de materia y energía. Cada nivel trófico consume la producción neta del nivel precedente, sin variar la biomasa. Por tanto, la respiración es lo que condiciona que la productividad sea inferior a la del pasto (p=0).
  • 29.
    El mayor gradode organización y estabilidad del ecosistema va unido a una baja velocidad de renovación de sus elementos, a una disminución del flujo de energía que lo atraviesa y a un aumento de la biodiversidad. Un ejemplo real son las selvas tropicales, con una producción muy alta, la productividad, por el contrario, es inferior a la de los pastos o praderas, debido a la elevada biomasa permanente que presentan.
  • 30.
    ECOSISTEMA Biomasa (mg C/m3) Producción(mg C/m3) - día Plantas 60.000 1.200 Herbívoros 6.000 40 Carnívoros 400 1 Carnívoros II 48 0,03 Observa los datos de la tabla y realiza estas actividades: •Compara los valores de biomasa y producción en los diferentes niveles tróficos y saca alguna conclusión. Se observa que ambos parámetros van disminuyendo según la regla del 10% •¿Qué ocurre con la productividad y el tiempo de renovación a lo largo de la cadena trófica. La productividad va disminuyendo: 0.02, 0.006, 0,002, 0.0006 y el tiempo de renovación va aumentando, ya que, por regla general, los últimos eslabones tardan más tiempo en crecer: 50, 150, 400 y 1600 días. •¿Por qué el número de eslabones es tan reducido? Dado que la energía que pasa de un eslabón a otro es sólo el 10% de la contenida en él, si lo productores fijaran una unidad, los herbívoros recibirían la décima parte , los carnívoros I, la centésima, etc... De forma que el paso de energía a los últimos eslabones es insignificante. •Calcula la productividad total del ecosistema. ¿Presenta un porcentaje elevado o bajo?¿Cuál crees que puede ser el motivo? La productividad total del sistema es Pn/B= 1.241,03 / 66,448 = 0,018, cantidad muy pequeña si la comparamos con la máxima que sería la unidad. Esto quiere decir que el sistema tiene mucha biomasa, puesto que presenta un gran gasto respiratorio.
  • 31.
    PARÁMETROS TRÓFICOS EFICIENCIA ECOLÓGICA.La eficiencia ecológica describe la eficacia con la cual la energía se transfiere de un nivel trófico a otro y se puede definir como el aprovechamiento de la energía que se transfiere de un nivel trófico (n-1) al siguiente (n), y puesto que en la transferencia siempre se disipa calor, será mayor la eficiencia cuanto menor sea la pérdida.
  • 32.
    La energía quepasa de un eslabón a otro es aproximadamente el 10% de la acumulada en él. (Regla de Lindeman) Nº de eslabones limitado
  • 33.
    Un animal quemacontinuamente su suministro de combustible para realizar el trabajo de vivir. expulsando los gases de la combustión por las chimeneas de sus fosas nasales y despidiendo calorías al espació exterior en forma de calor de radiación. El animal utiliza su propia carne, reemplazando la materia consumida por medio de la ingestión de más alimentos, y quemando después la mayor parte de éstos. Este proceso de consumo de la materia por los fuegos de la vida tiene lugar en todos los niveles de las pirámides tróficas, y los fuegos se ven continuamente refrescados por las plantas sobre las que reposan las pirámides animales. En cada nivel sucesivo de las pirámides, los animales tienen que conformarse con el combustible (alimento) que pueden arrebatarle al nivel inferior. Pero solo pueden arrancarle una fracción de lo que este nivel no haya consumido ya, y con ello, los habitantes de las capas superiores deben no sólo construir sus propios cuerpos; sino también alimentar sus vidas. Es este el motivo por el que su población es sólo una fracción de las poblaciones de los niveles tróficos inferiores, lo que viene a decir que son escasos. Del libro ¿Por qué son escasas las fieras? Paul A. Colinvaux 1978. Pág. 28
  • 34.
    PARÁMETROS TRÓFICOS En funciónde la ley del diez por ciento, a medida que la energía va fluyendo a niveles tróficos superiores la reducción del flujo energético es progresiva, dado que cada nivel trófico tiene a su disposición únicamente una fracción del que lo precede, que es del orden del 10 por ciento. La eficiencia ecológica describe la eficiencia con la cual la energía se transfiere de un nivel trófico a otro.
  • 35.
    FACTORES QUE REGULANLA PRODUCCIÓN PRIMARIA En conjunto, la biosfera utiliza menos del uno por mil de la energía del Sol que alcanza la superficie terrestre. Tan baja eficiencia se debe a una serie de factores que limitan o regulan la producción de los organismos autótrofos. El crecimiento de una especie vegetal se ve limitado por un único elemento que se encuentra en cantidad inferior a la mínima necesaria y que actúa como factor limitante. • Luz • Nutrientes (nitrógeno y fósforo) • Temperatura • Agua • Concentración de CO2
  • 36.
    Factores limitantes • Luz: Unamayor cantidad de luz provoca un aumento de la productividad hasta cierto nivel, sobrepasado el cual no aumenta la productividad. • El agua: Permite el crecimiento, al servir de vehículo a las sales minerales y sin ella los estomas se cierran e impiden el paso de CO2.
  • 37.
    • La temperatura: Unaumento incrementa la producción, pero si aumenta en exceso decrece bruscamente. • Concentración de CO2: Niveles altos de CO2 aumentan la productividad como ocurre en invernaderos. Si el nivel es bajo cae la fotosíntesis, debido a que la enzima RuBisCO promueve la fotorrespiración. [CO2]  [CO2] Según como tenga lugar este proceso existen dos tipos de plantas : • • C3 (normales),p.ej. Trigo, patata, arroz, tomate judías. C4 (soportan bajos niveles CO2),p.ej. Maíz, caña de azúcar, sorgo, mijo.
  • 38.
    • Nitrógeno yfósforo: Estos nutrientes son factores limitantes muy importantes. La riqueza y productividad de los ecosistemas dependen de los mecanismos de reciclado de los nutrientes. En ecosistemas marinos son mucho más condicionantes debido a la dificultad para el reciclado. AFLORAMIENTO
  • 39.
    VALENCIA ECOLÓGICA: campoo intervalo de tolerancia de una especie respecto a un factor cualquiera del medio (luz, temperatura, humedad, fósforo, nitrógeno, pH, etc.), que actúa como factor limitante. Desde este punto de vista podemos considerar especies: • EURIONICAS: Son poco exigentes respecto a los valores alcanzados por un determinado factor. Suelen ser generalistas, r estrategas. Son más tolerantes a las variaciones del medio, pero en general poco abundantes. • ESTENOICAS: Aunque son más exigentes con un determinado factor, cuando las condiciones son las adecuadas, el número de individuos es bastante elevado. Son estrategas k, especialistas que responden de mejor forma cuando las condiciones son propicias.
  • 40.
    Valencia ecológica deuna especie de vegetal.
  • 41.
    PIRÁMIDES TRÓFICAS OECOLÓGICAS • Son representaciones hechas con rectángulos superpuestos de cada uno de estos niveles. Pueden ser : • De números: Representa en número concreto de individuos concreto que se encuentran en el ecosistema, por unidad de superficie o de volumen, en un momento dado. Pueden ser invertidas. • De biomasa: Son mucho mas representativas que las anteriores. Los escalones corresponden a las biomasas de cada categoría. Pueden ser invertidas, como ocurre cuando se muestrea un ecosistema marino inmediatamente después de un periodo de consumo máximo de los productores, por lo que estos presentan una biomasa inferior a la de otros niveles. Su existencia temporal es posible debido a la rápida multiplicación del fitoplancton. • De energía o pirámides de producción: Representan el contenido energético de cada nivel. Siguen la regla del 10% y tienen forma de una verdadera pirámide.
  • 44.
    Pirámide de números Pirámidede biomasa de un ecosistema marino Pirámide de energía Pirámide de biomasa de un ecosistema terrestre
  • 45.
    LAS PIRÁMIDES TRÓFICAS Unanimal quema continuamente su suministro de combustible para realizar el trabajo de vivir. expulsando los gases de la combustión por las chimeneas de sus fosas nasales y despidiendo calorías al espació exterior en forma de calor de radiación. El animal utiliza su propia carne, reemplazando la materia consumida por medio de la ingestión de más alimentos, y quemando después la mayor parte de éstos. Este proceso de consumo de la materia por los fuegos de la vida tiene lugar en todos los niveles de las pirámides tróficas, y los fuegos se ven continuamente refrescados por las plantas sobre las que reposan las pirámides animales. En cada nivel sucesivo de las pirámides, los animales tienen que conformarse con el combustible (alimento) que pueden arrebatarle al nivel inferior. Pero solo pueden arrancarle una fracción de lo que este nivel no haya consumido ya, y con ello, los habitantes de las capas superiores deben no sólo construir sus propios cuerpos; sino también alimentar sus vidas. Es este el motivo por el que su población es sólo una fracción de las poblaciones de los niveles tróficos inferiores, lo que viene a decir que son escasos. Del libro ¿Por qué son escasas las fieras? Paul A. Colinvaux 1978. Pág. 28
  • 46.
    CICLOS BIOGEOQUÍMICOS DELC, N, P, S Y O. Elementos químicos en el ecosistema. Los seres vivos están formados por elementos químicos, fundamentalmente por oxígeno, hidrógeno, carbono y nitrógeno que, en conjunto, suponen más del 95% de peso de los seres vivos. El resto es fósforo, azufre, calcio, potasio, y un largo etcétera de elementos presentes en cantidades muy pequeñas, aunque algunos de ellos muy importantes para el metabolismo. Estos elementos también se encuentran en la naturaleza no viva, acumulados en depósitos. Así, en la atmósfera hay O2, N2 y CO2. En el suelo H2O, nitratos, fosfatos y otras sales. En las rocas fosfatos, carbonatos, etc. Transferencia cíclica de los elementos Algunos seres vivos son capaces de captarlos de los depósitos inertes en los que se acumulan. Después van transfiriéndose en las cadenas tróficas de unos seres vivos a otros, siendo sometidos a procesos químicos que los van situando en distintas moléculas. Ciclos de los elementos – flujo de energía Los ciclos de los elementos mantienen una estrecha relación con el flujo de energía en el ecosistema, ya que la energía utilizable por los organismos es la que se encuentra en enlaces químicos uniendo los elementos para formar las moléculas.
  • 47.
    CICLOS BIOGEOQUÍMICOS • Ciclosde nutrientes gaseosos: carbono y nitrógeno • Ciclos de ambientes sedimentario: fósforo y azufre.
  • 48.
    CICLO DEL CARBONO Respiración CO2atmosférico Fotosíntesis* Desforestación PROCESOS BIOLÓGICOS Eq uili bri oa tm ós (D f er ifu a-o sió nd cé an ire o ct a ) H2CO3 en agua que ataca a Carbonatos y Silicatos SERES VIVOS PRODUCTORES CONSUMIDORES 1OS HCO3- ,Ca2+ y SiO2 disuelta niz ac ió n *La fotosíntesis moviliza cada año el 5% del CO2 atmosférico. bus t i ón Com Ca rb o CARBÓN PETRÓLEO GAS NATURAL es cion Erup nicas á volc RESTOS MUERTOS TEJIDOS ANIMALES ENDURECIDOS Diag énes is CONSUMIDORES 2 OS ROCAS CARBONATADAS SILICATADAS
  • 49.
  • 50.
    CICLO DEL NITRÓGENO N2atmosférico Desnitrificación por bacterias anaerobias (Pseudomonas) Fijación por microorganismos*, tormentas y por la industria (amoniaco, abonos,…) Erupciones volcánicas Combustibles fósiles NOx (todos los óxidos de nitrógeno) HNO3 Lluvia ácida SUELO NO3 Nitrobacter NITRATACIÓN NO2Nitritos Nitrosomonas NITRIFICACIÓN NH4+ Bacterias Amoniaco UREA Nitratos Descomposición, putrefacción y amonificación por bacterias (Clostridium) PRODUCTORES Ac. Nucleicos Proteínas CONSUMIDORES Ac. Nucleicos Proteínas *Es el segundo factor limitante de la producción primaria después del fósforo, pero a diferencia de éste, hay microorganismos capaces de captarlo de la atmósfera (cianobacterias, hongos como el actinomiceto del género Frankia o géneros de bacterias Rhizobium y Azotobacter).
  • 51.
  • 53.
  • 54.
    CICLO DEL FÓSFORO* -Ac.Nucleicos -Ac. Nucleicos PRODUCTORES -ATP-ADP-AMP CONSUMIDORES -Compuestos orgánicos con P FOSFATOS DISUELTOS FOSFATOS INORGÁNICOS SUELO Y ROCAS SEDIMENTARIAS -Esqueletos Ca 3(PO4)2 FOSFATOS DISUELTOS EN EL OCÉANO -Mineral (Apatito) SEDIMENTACIÓN EN EL FONDO DEL OCÉANO -Guano (abono)** GUANO -Compuestos orgánicos con P Pes ca e qu s ria re te c n ba ina s la lim y e n de n ció re ue a ac M rl po s sto -ATP-ADP-AMP AVES Procesos geológicos muy lentos (105-108 años) *El fósforo está en su mayor parte inmovilizado en los fondos oceánicos y constituye el principal factor limitante de la producción primaria porque su liberación depende del ciclo geológico y es muy lenta (105-108 años) . Se considera un recurso no renovable. ** Con la extracción de fosfatos en las minas y el uso del guano para fertilizantes el hombre acelera el proceso natural y la velocidad del ciclo. PECES afloramientos
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  • 56.
  • 57.
    Esquema de unafloramiento, el agua profunda asciende da la suferficie arrastrando los nutrientes que fertilizan el fitoplancton. La energía externa que lo hace posible es la del viento. VOLVER A FACTORES LIMITANTES
  • 58.
    CICLO DEL AZUFRE ATMÓSFERA SO2 H2SO4 SO3 Dióxidode azufre Ácido suflúrico Trióxido de azufre H2S PRODUCTORES SO4= H2S aas Sulfuro de hidrogeno B y acte ho r ng ias os Sulfato CONSUMIDORES aas s Bacteria s y hongo Lluvia ácida Sulfuro de hidrógeno QUEMA DE COMBUSTIBLES FÓSILES VOLCANES AGUAS TERMALES ALGAS DMS H2S SUELO SO4= Sulfuro de rias hidrógeno cte Ba cas téti sin mio qui Sulfatos (yesos) CARBÓN, PETRÓLEO, PIZARRAS Y OTRAS ROCAS CON SULFUROS (Sulfuro de Fe: pirita) SO2 - Dióxido de azufre H2S - Sulfuro de hidrógeno OCÉANO SO4= - Sulfato aas - aminoácidos DMS: dimetil sulfuro
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  • 60.