Flujo de energía en los ecosistemas

1.- ¿Cómo ingresa la energía a los ecosistemas?

La energía corresponde a la capacidad de realizar un trabajo y su comportamiento está regido por dos leyes.

La primera establece que, la energía puede transformarse de una clase a otra, pero no puede destruirse. Por ejemplo, la energía lumínica proveniente del Sol se transforma en energía química en el proceso de fotosíntesis.

La segunda ley indica que al pasar de una forma de energía a otra, una parte de esa energía se pierde en forma de calor. Por lo tanto, cualquier cambio de una forma de energía a otra se produce una pérdida de calor.

Es por esta razón, que un ecosistema no puede ser autoabastecido de energía en el corto plazo y que los procesos naturales son irreversibles en cuanto al flujo de energía, es decir, el flujo de energía sigue una sola dirección en el ecosistema.

Los seres vivos corresponden a sistemas termodinámicos de tipo abierto, lo que significa que son capaces de intercambiar materia y energía con el entorno, por lo tanto, necesitan continuamente del aporte de energía y materia para mantener su estructura y organización.

La contribución más grande de energía proviene del Sol.

Según la materia que los organismos utilizan como materia prima para obtener energía, se clasifican en autótrofos, que corresponden a los que usan dióxido de carbono como fuente, y como heterótrofos cuando la fuente es materia orgánica.

Según la fuente de energía que utilizan los seres vivos se clasifican como fotótrofos y quimiotrófos.

Los organismos quimio autótrofos utilizan los compuestos orgánicos como fuente de energía y el dióxido de carbono como fuente de materia.

Los organismos foto autótrofos, utilizan luz como fuente de energía y el dióxido de carbono como fuente de materia.

Los organismos foto heterótrofos, utilizan luz como fuente de energía y compuestos orgánicos como fuente de materia.

Finalmente, los organismos quimio heterótrofos, utilizan compuestos orgánicos como fuente de materia, y a su vez, estos son la fuente de energía. 

2.- ¿Qué estudia la ecología?

La ecología es una ciencia que se encarga de reconocer y comprender las diferentes relaciones que existen entre los organismos vivos y el medio en el cual habitan. Los seres vivos están en contacto permanente entre sí, y también con el ambiente físico en el cual se desarrollan y que le entrega los recursos necesarios para poder vivir, como el alimento, el agua, el oxígeno, y que también le permite descargar los desechos.

Los estudios ecológicos están organizados en distintos niveles, que aumentan en cuanto a complejidad. Cada nivel se puede estudiar con autonomía y se ordenan de menor a mayor, es decir, los niveles más pequeños se agrupan dentro de niveles mayores, lo que recibe el nombre de jerarquía ecológica. Todos los niveles de la jerarquía ecológica implican seres vivos, y por ende, procesos vitales.

- Los organismos son el nivel de jerarquía menor y corresponden a seres vivos formados por un conjunto de sistemas, órganos y tejidos, que poseen la capacidad de interactuar con su medio y reproducirse. Un organismo forma una estructura material muy organizada y compleja, capaz de intercambiar con el entorno materia y energía, y tiene la capacidad de desempeñar las funciones básicas de la vida, tales como, la nutrición, la relación y la reproducción.

- La especie corresponde a un conjunto de individuos que proceden de antecesores comunes y que son capaces de reproducirse entre sí, dando lugar a descendencia fértil.

- La población corresponde a un conjunto de individuos que pertenecen a una misma especie, que coexisten y están interactuando unos con otro, pudiendo reproducirse entre sí, generando descendencia fértil.

- Las comunidades, corresponden a un nivel de organización natural que incluyen a todas las poblaciones de un área y en un tiempo determinado. La comunidad y el medio ambiente funcionan juntos como un sistema ecológico o ecosistema.

- Los ecosistemas corresponden comunidades de seres vivos que interactúan entre sí, y con el medio ambiente en el cual viven.

Las poblaciones por lo general, no viven aisladas, por lo tanto, comparten un territorio y establecen relaciones entre sí, formando una comunidad o biocenosis. El territorio ocupado por una biocenosis y que presenta características físicas y climáticas propias se denomina biotipo.

Cuando las comunidades interactúan entre sí y con el medio ambiente formando los ecosistemas. En ellos, hay dos tipos de componentes, los no vivos que reciben el nombre de abióticos, o de biotipo, y corresponden por ejemplo, al medio físico, como el agua, las rocas, y sus características, como la temperatura, la salinidad del agua, o la acidez; y los componentes vivos o llamados bióticos, denominados también biocenosis.

La función que desempeña cada miembro de una comunidad en el ecosistema que está integrado, corresponde a su nicho ecológico, y se relaciona con su comportamiento y las reacciones que tiene frente al medio.

El nicho ecológico de un organismo depende del tipo de alimentación, la temperatura que necesita, la forma de reproducción, entre otras características. Por ejemplo, el nicho ecológico de las orquídeas es vivir sobre los troncos de los árboles (epífitas) y ser un organismo productor. En cambio, el nicho de los gallitos de las rocas es alimentarse de frutos de los árboles, es decir, ser un consumidor herbívoro.

En la Naturaleza es muy difícil que el nicho de una especie coincida exactamente con el de otra. Siempre habrá pequeñas diferencias que les permitan evitar, en lo posible, la competencia.

3.- ¿Cómo se transfiere la energía en los ecosistemas?

Los seres vivos requieren de materia y energía para llevar a cabo sus procesos vitales. Toda la energía utilizada por los seres vivos proviene del Sol, la cual es transformada y ya no vuelve a ser utilizada por ellos mismos, dado que la energía que atraviesa un ecosistema es unidireccional, es decir, fluye en una sola dirección, que va desde los productores hasta los consumidores, para pasar finalmente, a los descomponedores.

La transferencia de materia entre los organismos vivos, crea relaciones alimentarias. Por ejemplo, los productores que corresponden a organismos autótrofos, convierten la materia inorgánica en materia orgánica, que le servirán de alimento o formarán parte de su estructura. Posteriormente, los organismos productores servirán de alimento a los consumidores herbívoros y estos a su vez a los carnívoros, y la materia orgánica procedente de restos y de cadáveres de los seres vivos será transformada por microorganismos descomponedores en materia inorgánica. Por lo tanto, es posible decir que la materia constituye un ciclo cerrado en el ecosistema.

Las relaciones alimentarias que se establecen entre los diferentes tipos de organismos que están presentes en la biocenosis, reciben el nombre de cadenas tróficas. En ellas, convergen los flujos de materia y energía.

Las plantas, que corresponden a los principales organismos productores, elaboran su propio alimento a partir de elementos no vivos, tales como, agua, sales minerales, luz y gases de la atmósfera, como dióxido de carbono; por lo tanto, son la base de la cadena trófica. Luego, siguen los organismos herbívoros, que son aquellos que se alimentan de plantas, y reciben el nombre de consumidor primario, y luego lo organismos carnívoros, que se alimenta de herbívoros, y por lo tanto corresponden a consumidores secundarios. También, es posible encontrar organismos carnívoros, que se alimentan de otros carnívoros, y son consumidores terciarios. Finalmente, todos los organismos son degradados o vueltos a transforma en materia inorgánica por hongos y bacterias, que reciben el nombre de descomponedores. 

Para establecer relaciones alimentarias entre los distintos niveles tróficos, se utilizan las cadenas tróficas.

Las cadenas tróficas se establecen entre los seres vivos presentes en un ecosistema, y se representan mediante esquemas. En ellas, se muestra el proceso de transferencia de materia y energía a través de una serie de organismos, en el que cada uno se alimenta del anterior y es alimento del siguiente.

Normalmente, un consumidor se alimenta de más de una especie del nivel inferior y sirve de alimento a varias especies del nivel superior. Entre las distintas cadenas tróficas se establecen varias conexiones, por eso, para explicar gráficamente ese complejo sistema de relaciones, se establecen redes tróficas. 

Cada nivel de la cadena trófica se denomina eslabón. Cada eslabón obtiene la energía necesaria para la vida del nivel inmediato anterior; y el productor la obtiene del Sol. Por lo tanto, la energía fluye a través de la cadena. Durante el flujo de energía se produce una gran pérdida de ella en cada traspaso de un eslabón a otro, por lo cual un nivel de consumidor alto recibirá menos energía que uno bajo. Es por esta razón, que la longitud de una cadena trófica no va más allá de un consumidor terciario o cuaternario.

Cuando un eslabón desaparece, también desaparecen los eslabones siguientes, pues, se quedan sin alimento. Además, se superpuebla el nivel inmediato anterior, pues, ya no existe su predador. También se desequilibran los niveles más bajos.

Niveles  Tróficos de los Ecosistemas: Cadenas y Redes Tróficas

La materia y la energía circulan a través de la biosfera y los ecosistemas en forma de relaciones tróficas ("trofos" en griego significa "comer").

Las relaciones tróficas se suelen representar mediante cadenas tróficas, donde cada organismo puede ser considerado como alimento de otros. En la representación gráfica de una cadena alimentaria o trófica la flecha indica el sentido en que se transfiere materia y energía de un sistema a otro.

Las cadenas tróficas están formadas por varios eslabones o niveles tróficos.

Son los siguientes:

1) Productores. Son organismos autótrofos capaces de captar y transformar la energía luminosa incidente en energía química mediante la fotosíntesis. Constituyen el primer nivel trófico.

CO2   +   H2O   —>       Materia orgánica  +   O2

La materia orgánica fabricada es utilizada por los propios organismos fotosintéticos para el mantenimiento de sus procesos vitales mediante la respiración que, tras ser utilizada en los procesos vitales, se transforma en calor.

Materia orgánica  +  O2   —>   CO2 + H2O + Energía

La energía restante se acumula en las estructuras vivas, pudiendo ser transferida en forma de alimento a los seres heterótrofos.

2) Consumidores. Son organismos heterótrofos que se alimentan de otros seres vivos, animales o vegetales. Podemos distinguir varios niveles:

a) Consumidores primarios o herbívoros. Se alimentan directamente de los tejidos de los productores. Constituyen el segundo nivel trófico.

b) Consumidores secundarios o carnívoros. Se alimentan de los herbívoros y de sus parásitos. Constituyen el tercer nivel trófico.

c) Carnívoros finales. Se alimentan de los carnívoros y constituyen el cuarto nivel trófico.

d) Omnívoros. Son heterótrofos que se alimentan de más de un nivel trófico (productores y consumidores). Se trata de un mecanismo adaptativo que facilita la supervivencia. Como ejemplo podemos citar al ser humano.

e) Detritívoros. Consumen toda una serie de restos orgánicos (detritos), excrementos o cadáveres. En función del estado en que se encuentre la materia orgánica de la que se nutren, podemos clasificarlos en tres tipos:

 Carroñeros o necrófagos. Se alimentan de cadáveres recientes o poco descompuestos. Suelen actuar después de los carnívoros (buitres, hienas, larvas de insectos, córvidos...).

 Saprófagos. Se alimentan de restos de plantas o de cadáveres muy alterados (lombrices de tierra, larvas de escarabajos, ácaros,. . .).

 Coprófagos. Se alimentan de excrementos animales (escarabajos; conejos y liebres comen sus excrementos cuando contienen sustancias no digeridas).

3) Descomponedores. Son organismos capaces de transformar la materia orgánica en inorgánica (sales minerales), con lo que cierran el ciclo de la materia. La materia orgánica susceptible de ser degradada o descompuesta en materia inorgánica se denomina biodegradable.

           

Los descomponedores se pueden dividir en dos grupos:

Saprofitos. Son descomponedores heterótrofos fundamentalmente bacterias y hongos del suelo y bacterias en el agua. Estos efectúan una serie de transformaciones cuyo resultado final son moléculas sencillas, tanto orgánicas como inorgánicas.

Mineralizadores. Son autótrofos quimio sintéticos. Obtienen la energía oxidando moléculas inorgánicas procedentes del metabolismo de otros organismos, que transforman en sales asimilables por los productores. Son las bacterias que cierran los ciclos de los ecosistemas.

Las cadenas tróficas o alimentarias representan las transferencias lineales de energía en las que cada organismo es un eslabón. Distinguimos tres tipos:

Cadenas de depredadores. (Productores herbívoros y carnívoros).

Cadenas de parásitos. En ellas el productor y el consumidor están parasitados.

Cadenas de detritívoros. Comienzan en la materia orgánica muerta, continuando con diversos eslabones de microorganismos.

Ya que, a medida que ascendemos a niveles superiores, las disponibilidades energéticas disminuyen, con frecuencia muchos animales utilizan más de una cadena para alimentarse. En la naturaleza no existen habitualmente cadenas tipo sino que un mismo productor puede ser el alimento de varios herbívoros, y estos ser la presa de diversos carnívoros, que a su vez podrán ser presas de otros. Estas conexiones entre cadenas alimentarias constituyen las redes tróficas que se rigen por la regla del 10 %.

FLUJOS DE ENERGÍA ENTRE NIVELES TRÓFICOS

De toda la energía que llega a la superficie terrestre procedente del Sol (47 %), solo el 0,2% es absorbida por las plantas verdes y algunas bacterias, y transformada en materia orgánica. Esta transformación es realizada por los autótrofos (productores), quienes transforman la energía química en materia orgánica (glúcidos, lípidos y proteínas) que ellos mismos fabrican a partir del agua, CO2 y sales minerales.

Si representamos en un esquema no solo la energía sino también la materia, de ese esquema podemos deducir dos consecuencias:

a) El flujo de energía es unidireccional, a cíclico y abierto. Esto es debido a las pérdidas que se van produciendo a lo largo de las cadenas tróficas (los seres vivos pierden energía en forma de calor). De aquí se deduce que, para que el ecosistema sea estable, es necesario un aporte exterior de energía procedente del Sol. Como resultado de esta disminución en el flujo de la energía, el número de eslabones tróficos ha de ser limitado (cinco como máximo).

b) El flujo de materia es cíclico y cerrado. Gracias a la actividad de los descomponedores, se transforma la materia orgánica (restos orgánicos) en materia inorgánica asimilable de nuevo por el ecosistema a través de los productores.

Suponiendo que el flujo solar sea constante, la cantidad de radiación solar que llega a la Tierra varía en función de la duración del día a causa de la rotación terrestre, la inclinación del eje de rotación y las estaciones del año debidas al movimiento de traslación alrededor del Sol.

El objetivo fundamental de los ecosistemas, no es captar la máxima cantidad de energía, sino utilizar solamente la energía necesaria para el mantenimiento de la máxima cantidad de organismos que permiten el resto de los factores limitantes.

PIRÁMIDES TRÓFICAS

Una pirámide trófica es una representación esquemática de las relaciones alimentarias que se establecen en un ecosistema. Cada uno de los escalones de la pirámide se corresponde con un nivel trófico. En la base se representan los productores; en el escalón más alto, los animales que no forman parte de la dieta de ningún otro. Todos los escalones tienen la misma altura y su anchura es proporcional al valor de la variable que se quiere representar.

TIPOS DE PIRÁMIDES TRÓFICAS

 Se pueden elaborar distintos tipos de pirámides tróficas en función de las variables que se utilicen: energía, biomasa, número de individuos, etc.

 PIRÁMIDES DE ENERGÍA

 Las pirámides de energía son representaciones que muestran el flujo de energía de unos niveles a otros. En cada escalón se muestra la producción neta de cada nivel trófico expresada en unidades de producción.

Como en el paso de un eslabón de la cadena trófica al siguiente la eficiencia es de aproximadamente el 10 %, las pirámides de energía nunca pueden ser invertidas, ya que la energía almacenada en un nivel siempre es superior a la que se almacena en el siguiente.

 PIRÁMIDES DE NÚMEROS

Las pirámides de números representan el número de individuos que hay en cada nivel trófico. Se utilizan poco, ya que muestran una información muy fragmentaria de la estructura trófica del ecosistema.

PIRÁMIDES DE BIOMASA

Las pirámides de biomasa muestran la cantidad de biomasa en un momento de- terminado en una parte del ecosistema, pero en ellas no está representado el factor tiempo, no indican la producción ni la productividad.

En las pirámides de biomasa se pueden indicar los valores numéricos de cada nivel, y se pueden representar o grupos tróficos o una cadena trófica en concreto.

 

EFICIENCIA ECOLÓGICA

Es la cantidad de biomasa o energía que se transfiere de un nivel trófico al siguiente. La transferencia se produce cuando un ser vivo cede su materia orgánica a un depredador o un parásito. Este cociente entre salidas/entradas podemos expresarlo mediante la ecuación:

EFICIENCIA ECOLÓGICA = ENGORDE / ALIMENTO INGERIDO

Eficiencia ecológica neta. El parámetro que se tiene en cuenta es la producción neta. Si se supone una producción neta en los autótrofos de 100 calorías, es de esperar una producción neta de 10 calorías al nivel de los herbívoros y únicamente de 1 caloría al nivel de los carnívoros.

Eficiencia ecológica = (PN del nivel n / PN del nivel n-1) x 100

Eficiencia ecológica bruta. El parámetro utilizado es la producción bruta.

 

Desde el punto de vista del aprovechamiento energético, teniendo en cuenta la regla del 10 %, es más eficiente una alimentación a partir del primer nivel ya que se aprovecha más la energía y, por tanto, se podrá alimentar mayor número de individuos.

Regla del 10 %. La energía que pasa de un eslabón a otro es aproximadamente el 10 % de la acumulada en él. Quiere esto indicar que de la energía disponible en un determinado nivel trófico, solo el 10 % es utilizada en la síntesis de nueva materia orgánica en el nivel siguiente. El resto (90 %) se consume en respiración, reproducción y excreción. El flujo de energía que atraviesa el ecosistema se divide por diez en cada paso. Esta energía se pierde en forma de calor y deja de ser utilizable. Por tanto, a mayor número de niveles tróficos en una red trófica, mayor es la pérdida de energía.

Debido a ello, un herbívoro debe ingerir alrededor de 10 Kcal de energía de origen fotosintético para formar 1 Kcal de energía disponible para los carnívoros. De ahí la diferencia entre alimentarse de productores o de consumidores. Estas pérdidas que se producen en cada intercambio son el motivo por el que las cadenas tróficas tienen como máximo 5 niveles tróficos.