jueves, 4 de agosto de 2016

Ecología (II): dinámica del ecosistema



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El concepto de dinámica del ecosistema hace referencia a la movilidad que hay en todo ecosistema. No es una entidad estática, sino que presenta un flujo de energía y materia.

Ecosistema y biologia
La materia dentro de un ecosistema circula en todas las direcciones posibles, gracias a la existencia de los distintos niveles tróficos que presenta.

- Energía en el ecosistema


Cualquier organismo necesita de una energía para poder mantener sus funciones biológicas. A los ecosistemas se les puede considerar como seres vivos, en el sentido de que necesitan de una energía para poder mantener a todos los organismos vivos que engloba y para poder sobrevivir, es decir, generar nuevos individuos o descendientes que sustituyan a los anteriores.

Ese energía proviene del exterior y, por tanto, necesita captarse. Los productores primarios son los responsables de "fijar" esa energía externa necesaria para el ecosistema. La energía externa es la energía lumínica que reside en los rayos del Sol. Tras la fijación, la transforman en energía química con la que generar nuevas estructuras y mantener las ya existentes. En definitiva, van a generar más materia orgánica que de esta forma se incorpora al ecosistema.

El aumento de materia orgánica se debe tanto al crecimiento de ese organismo, como a la aparición de nuevos individuos tras la reproducción.

Sin embargo, el proceso de la fotosíntesis no es muy eficiente y, así, aproximadamente sólo una tercera parte de la energía lumínica que llega es verdadera energía utilizable. Esta energía asimilada recibe el nombre de producción primaria bruta.

Esta energía no se transmite por entero al siguiente nivel trófico, los productores primarios utilizan parte de la misma en mantener su metabolismo y generar más materia orgánica. Así, aparece la producción primaria neta como la energía disponible para el siguiente nivel, tras descontar la utilizada por los propios productores.

Este modelo de energía entrante y saliente se repite en todos los niveles trófico. Siempre habrá una energía o producción bruta que asimila el organismo, y una energía saliente o producción neta de menor valor. Esta diferencia surge por las propias necesidades energéticas que tiene ese nivel trófico.

De esta forma, la energía bruta de los consumidores (herbívoros) es esa producción primaria neta de los productores (organismos fotosintéticos) que tras su utilización disminuye para quedar una energía neta, disponible para el siguiente nivel, el de los carnívoros.

Los ecólogos observaron que era difícil cuantificar la energía que se transmitía de un nivel a otro. Y, dado que esa energía se transmite a través de la nutrición heterótrofa, hicieron una equivalencia entre la materia orgánica de cada nivel y la energía que se obtiene a partir de ella. A cada cantidad o masa en kilogramos que un animal ingiere le corresponde una energía en calorías.

De este razonamiento surge el concepto de biomasa, como la cantidad o pesa de materia viva (orgánica) en seco de los organismos de un nivel. Si además, se observa que en el paso de un nivel a otro se pierde energía y materia, los ecosistemas presentan unas estructuras piramidales con la base en el nivel de los productores primarios. Así surgen las pirámides ecológicas, como representaciones gráficas para una mejor comprensión del ecosistema.

La energía real o neta que se transfiere de un nivel a otro ha sido cuantificada por los ecólogos. Se estima que sólo el 10% de la energía que almacena una planta se transforma en biomasa animal herbívora. Un cálculo válido para cualquier paso de nivel.

Esta estimación es un valor medio y general, ya que en ciertas cadenas tróficas puede ser más de un 20%, y en otras no llegar ni al 1%. Pero, lo que si parece cierto es que el número tan pequeño de niveles tróficos en una cadena se explica por esta pérdida de energía. Si se conservase más la energía en cada transferencia, entonces habría más niveles.

Así, por ejemplo, la biomasa vegetal de una zona tiene 20 kilocalorías. Los herbívoros que se alimentan de estos vegetales sólo incorporan 2 kilocalorías, mientras que los carnívoros del siguiente nivel sólo 0,2 kilocalorías.

- Pirámides ecológicas


Son las representaciones gráficas que sirven a los científicos para analizar los ecosistemas. Cada peldaño de la pirámide es un nivel trófico con sus correspondientes seres vivos. Existen tres tipos principales de pirámides ecológicas: las numéricas, las de biomasa y la de productividad.

Las primeras indican el número de individuos que hay en cada nivel o peldaño presentes sobre una superficie determinada. En la mayoría de los ecosistemas, el número de individuos productores es mucho mayor que cualquier otro nivel.

Las pirámides de biomasa representan ese peso seco que hay en cada nivel trófico dentro de un área establecida. Esta gráfica puede representarse bajo unidades de peso o energía como las calorías, dado que para un peso de materia orgánica le corresponde un valor de energía.

Las pirámides de productividad indican la cantidad de biomasa nueva que se genera en un instante concreto.

La mayoría de las pirámides presentan una forma típica, es decir, una base ancha en la parte inferior que se agudiza hacia arriba para terminar en una punta delgada. Sólo hay pirámides invertidas, es decir, hay más consumidores que productores, cuando la tasa de reproducción de los productores es muy alta. De esta forma, la aparición de nuevos individuos compensa la desaparición por ingestión de los niveles tróficos superiores. Esta inversión se observa en muchos ecosistemas marinos, donde el zooplancton es mayor al fitoplancton. Pero como éste último se reproduce en altas cantidades, hay alimento (individuos fitoplancton) suficiente para el zooplancton.

- El ciclo de la materia


Si la energía seguía un fluir unidireccional desde los niveles tróficos inferiores hasta los superiores, la materia, en cambio, circula una y otra vez en el interior del ecosistema. Esa biocenesis del ciclo incluye los productores, los consumidores y los descomponedores. Mientras que el biotopo será principalmente la atmósfera, la corteza de la Tierra y el agua que forma los lagos, ríos y océanos.

La característica más importante de los ciclos de la materia es la permanencia íntegra de todos los elementos, es decir, no se pierde ningún elemento del ciclo en los transferencias entre los niveles tróficos.

Dado que la materia son elementos químicos que forman parte de la vida, estos ciclos reciben el nombre de ciclos biogeoquímicos.

Si bien, los ciclos más importantes son el del carbono, fósforo y nitrógeno, existen otros elementos químicos que también presentan un ciclo en el ecosistema. Entre estos elementos destacan el potasio, azufre, calcio, cloro, sodio y el hierro.

El ciclo del nitrógeno representa uno de los ciclos de vital importancia para los organismos. El nitrógeno es uno de los elementos químicos esenciales para la formación de proteínas, ácidos nucleicos y otros compuestos biológicos de gran interés.

La mayoría del nitrógeno se encuentra en forma gaseosa en la atmósfera. Al disponerse en este estado, las plantas no pueden asimilarlo de forma directa. Por eso existen bacterias capaces de fijar ese nitrógeno e introducirlo en el ciclo. Entre las más importantes se encuentran las del género rhizobium. Estas bacterias viven en simbiosis con plantas leguminosas. Tienen un metabolismo especial que permite fijar el nitrógeno atmosférico para que lo utilice la planta y, por tanto, de aquí discurra al resto de niveles tróficos, ya en el ciclo.

La función principal de esta fijación del nitrógeno atmosférico es compensar las pérdidas del elemento en el ciclo. No son pérdidas de un nivel trófico a otro como sucedía con la energía, sino que en el suelo existen una serie de fenómenos que conllevan una retirada de nitrógeno del ciclo. De esta forma, cuando se recolectan las plantas, la erosión del suelo, el arrastre de elementos químicos por el agua que se filtra y el fuego, reducen la cantidad de nitrógeno en forma de nitritos y nitratos que asimila la planta.

Además, en suelos donde hay un mal drenaje y, por tanto, una mala aireación (ausencia de oxígeno), existen bacterias que van a utilizar el nitrato para obtener el oxígeno necesario para la respiración. Este proceso recibe el nombre de desnitrificación y es uno de los fenómenos responsables de la retirada de nitrógeno del ciclo.

Para hacernos una idea de la importancia que tiene esa fijación bacteriana, como medida compensatoria a la pérdida de nitrógeno, sólo baste un dato, cada año, 250 millones de toneladas de nitrógeno circulan por el ciclo, de esta cantidad, 200 millones son de origen biológico. Por tanto, como unos 50 millones se pierden por los fenómenos vistos, las bacterias suplen esa pérdida con la fijación del nitrógeno atmosférico.

El ciclo del nitrógeno comprende tres etapas o fases. La primera recibe el nombre de amonificación y la realizan ciertas bacterias del suelo y hongos. Son organismos descomponedores que utilizan la materia orgánica de animales muertos en descomposición, heces y orina para alimentarse. Así, utilizan los compuestos nitrogenados para sintetizar sus propios compuestos, en un proceso que libera nitrógeno al suelo en forma de amoniaco.

A continuación, otras bacterias llevan a cabo la nitrificación. En esta segunda fase el amoniaco del suelo se oxida a nitritos primero y nitratos después. La importancia de oxidar el nitrito a nitrato es fundamental, dado que el primero es tóxico para un gran porcentaje de las plantas. Pero, las bacterias no oxidan el amoniaco para facilitar la absorción de las plantas, sino para obtener una energía necesaria para mantener su metabolismo. De forma indirecta se libera un nitrato que la planta absorbe a través de sus raíces en la fase de asimilación. Ya en el interior, el nitrato se convierte de nuevo en amoniaco para la síntesis de la materia orgánica.

La muerte de estas plantas o de los animales, que constituyen el resto de la cadena trófica, provoca que los compuestos orgánicos con nitrógeno vuelven al suelo, donde esa población de bacterias continúa con el ciclo.

El ciclo del carbono presenta dos grandes procesos que suceden de forma constante. Son la fotosíntesis y la respiración. Con el primer proceso el dióxido de carbono presente fuera de los cuerpos de los organismos vivos se fija y se transforma en compuestos orgánicos. En el segundo, esa materia orgánica se oxida o descompone en moléculas más sencillas, como el dióxido de carbono que se libera de nuevo al exterior.

Las plantas terrestres y las algas marinas fijan al año en torno a los 100 millones de toneladas de dióxido de carbono. Con la materia orgánica que se sintetiza tras la fijación, los organismos fotosintéticos obtienen energía o forman nuevas estructuras. Esa energía es vital, al permitirles mantener su metabolismo y, por tanto, todas sus funciones biológicas.

Los procesos con los que obtiene energía son la glucólisis y la respiración. Tras estos procesos, la planta liberta dióxido de carbono desde sus raíces y hojas a la atmósfera y suelo. Las algas marinas lo liberan al agua.

Pero todos estos organismos sirven de alimento a los consumidores primarios, que para obtener su energía también llevarán a cabo la respiración. Por tanto, con la materia orgánica de la ingestión, los herbívoros obtienen energía para mantener su metabolismo y liberan dióxido de carbono. El proceso se repite en cada nivel trófico tras la ingestión del material orgánico del nivel anterior.

Además de esta transferencia de moléculas de carbono, existen depósitos de dicha molécula que se acumulan en el suelo. Hojas y organismos muertos, excrementos y demás restos orgánicos pueden acumularse en el suelo o en los fondos marinos. Aquí servirán de alimento para organismos inferiores, que entonces también realizarán la respiración, o quedarán como depósitos de carbón o petróleo, como sucedió con los grandes bosques de hace 300 millones de años.

En la actualidad el ser humano utiliza estos compuestos como combustible en procesos que liberan dióxido de carbono a la atmósfera. La liberación de ese dióxido devuelve a la atmósfera un carbono que se retiró del ciclo hace muchos años.

Sin embargo, como los procesos de respiración de fotosíntesis se equilibran, la existencia de la combustión de los elementos orgánicos fósiles actúa como un elemento desequilibrador dentro de nuestro medio ambiente. Se estima que en torno a 3.000 millones de toneladas de carbono se almacena de más en la atmósfera.

- Cambios en el ecosistema


Los ecosistemas experimentan cambios a lo largo del tiempo. Estos cambios pueden ser direccionales o sucesiones, y no direccionales o cíclicos.

La sucesión es el establecimiento y desarrollo de una comunidad como resultado de la acción que ejerce una vegetación sobre el entorno. Por ejemplo, una zona que carece de vegetación tras una inundación o un fuego, experimenta una nueva colonización de plantas. El establecimiento de la nueva vegetación va a modificar elementos del medio ambiente, como la composición del suelo hasta permitir la aparición de comunidades biológicas más complejas. Las especies que no logran adaptarse al nuevo medio, se extinguen en esa zona. Así, tras modificaciones y adaptaciones de diferentes comunidades, se establece una con una estabilidad suficiente como para mantenerse de forma indefinida. Esta comunidad recibe el nombre de comunidad clímax.

Los cambios cíclicos constituyen el otro grupo de cambios de un ecosistema. Son cambios internos que surgen por las relaciones que se establecen entre todos los miembros de un ecosistema. Por ejemplo, éste es el caso del brezo enano (calluna) en Escocia. Esta planta a medida que envejece experimenta la invasión del liquen cladonia. Pero éste tras llevar a cabo sus funciones biológicas termina por morir. En ese momento, el brezo reconquista el suelo desnudo.

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- Ecología


+ Ecología (I): introducción y conceptos ecológicos

+ Ecología (III): la biosfera

+ Ecología (IV): el medio que nos rodea