Comunidades y ecosistemas ECOLOGA Y MEDIO AMBIENTE El
Comunidades y ecosistemas
ECOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE • El ambiente es un término amplio que incluye todas las condiciones y factores externos (vivientes y no vivientes) que le afectan a cualquier organismo o forma de vida. • La ecología analiza las interrelaciones de los organismos con su medio ambiente físico y biótico. Es el estudio de organismos en su hábitat. Intenta explicar dónde se encuentran los organismos, cuántos hay y por qué. Busca entender de que manera actúa un organismo sobre su ambiente y cómo éste ambiente actúa sobre el organismo. Es una ciencia de síntesis, pues para comprender la compleja trama de relaciones que existen en un ecosistema toma conocimiento de botánica, zoología, fisiología, genética y otras disciplinas como la física y la geología.
Organización de la materia Existen distintos niveles de organización de la materia de acuerdo al tamaño y a la función. Éste es un modo en que los científicos clasifican los patrones de la materia que se encuentran en la naturaleza: Biósfera: Es el conjunto de organismos del planeta. El ecosistema gigante. Universo Galaxias Sistemas solares Ecosistemas: sistema funcional formado por una comunidad integrada en su medio. Planetas Tierra Biósfera Ecosistemas Comunidades Poblaciones Organismos Sistemas de órganos Órganos Tejidos Células Protoplásma Moléculas Átomos Partículas subatómicas Ámbito de la ECOLOGÍA Comunidades: grupos de poblaciones de distintas especies que coexisten o cohabitan en tiempo y espacio. . Poblaciones: conjunto de organismos de la misma especie que conviven en tiempo y espacio. Organismo: unidad funcional, con un genotipo distinto que le da propiedades y características distintas.
ECOSISTEMA COMUNIDAD METAPOBLACION INDIVIDUO POBLACION FLUJO GENETICO POBLACION
¿Qué es un ecosistema? n Cualquier comunidad biótica más o menos delimitada que vive en cierto ambiente. n Es el conjunto formado por un sustrato físico (biotopo) y una parte viva (biocenosis). Son ejemplos de ecosistema un lago, un desierto, una zona litoral, un estuario, un área de bosque amazónico, etc. Puesto que ningún organismo puede vivir fuera de su ambiente o sin relacionarse con otras especies, es la unidad funcional de la vida sostenible en la tierra.
Los ecosistemas Un ecosistema está formado por un lugar y los seres vivos que habitan en el mismo. En un ecosistema podemos diferenciar dos tipos de elementos: los seres vivos y las condiciones físicas, que se influyen mutuamente. LOS COMPONENTES DE UN ECOSISTEMA Seres vivos Animales, plantas, . . . Condiciones físicas Aire, agua, luz, . . . Las relaciones más importantes entre los seres vivos son las que se establecen por la alimentación. Todos los seres vivos que se alimentan unos de otros, forman una cadena alimentaria, que empieza siempre con una planta, sigue con un herbívoro que se la come y continúa con un carnívoro que se come al herbívoro.
Ecosistema
Componentes de un ecosistema
Ecosistema y ecotono Ecosistema terrestre Ecosistema de transición Ecosistema acuático Ecosistema 1 Ecotono (pantano) Ecosistema 2 El ecotono conforma un hábitat característico que alberga especies que no se encuentran en los ecosistemas que lo rodean.
• Recordemos que los ecosistemas se agrupan cuando son similares en clases mayores llamadas biomas y, que si biomas agrupamos todos los ecosistemas o biomas en uno solo, formamos la biosfera Entonces reflexionemos ¿Hasta que grado podemos afectar, trastornar o destruir un ecosistema y no afectar a la biosfera? ¿Y en que medida es posible alterar parámetros globales como la atmósfera o la temperatura antes de influir en todos los ecosistemas de la tierra ?
FUNCIONAMIENTO DE LOS ECOSISTEMAS Hay 2 aspectos fundamentales en cualquier ecosistema: LA ESTRUCTURA BIÓTICA LOS FACTORES AMBIENTALES ABIÓTICOS Basada en las relaciones de alimentación Agentes físicos y químicos. 3 categorías de organismo: Productores: elaboran su propio alimento. Principalmente plantas verdes. Son los que con la energía de la luz convierten las sustancias inorgánicas en orgánicas. § Consumidores: se alimentan de los productores o de otros consumidores. § Saprofitos y descomponedores: se alimentan de materia orgánica muerta. § Principales: Régimen de lluvias: monto y distribución anual y humedad del suelo. § Temperatura: extremos de frio y calor, promedio. § Luz § Viento § Nutrientes químicos § PH (acidez) § Salinidad § Incendios §
Los ciclos de los nutrientes. Los productos y subproductos de cada grupo de organismo (productores, consumidores, saprofitos y descomponedores) son la comida y los nutrientes esenciales del otro. Autótofos: elaboran Heterótrofos: su propia materia orgánica se alimentan de materia orgánica para obtenergía Productores Consumidores Saprófitos y descomponedores Plantas verdes, bacterias fotosintéticas y bacterias quimiosintéticas Primaros (herbívoros), Omnívoros (herbívoros o carnívoros), Secundarios (se alimentan de los primarios), de Orden superior (se alimentan de otros carnívoros) y Parásitos (toman como huésped a otra planta o animal) Descomponedores (se alimentan de putrefacción) Saprófitos primarios (se alimentan de detritos) y Saprófitos secundarios La materia orgánica y el oxígeno que producen las plantas verdes son los alimentos y el oxigeno que necesitan los heterótrofos. Y el dióxido de carbono y otros desechos que éstos generan son exactamente los nutrientes que necesitan las plantas.
La energía en el ecosistema Relaciones alimentarias Niveles tróficos: Productores, consumidores, descomponedores El ecosistema concebido como un flujo de materia y energía Parte del flujo de materia y energía se plasma en las relaciones tróficas entre los niveles tróficos PRODUCTORES CARNÍVOROS II Autótrofos fotosintéticos que utilizan luz como fuente de energía y CO 2 como fuente de C Heterótrofos Se nutren de los carnívoros I HERBÍVOROS Heterótrofos que se nutren de la materia orgánica fabricada por los Productores DETRITÍVOROS DESCOMPONEDORES Heterótrofos – Se nutren de detritos (hongos, bacterias) CARNÍVOROS I Heterótrofos - Se nutren de los herbívoros
La energía en el ecosistema Relaciones alimentarias Cadenas y redes tróficas (I) NIVELES TRÓFICOS PRODUCTORES HERBÍVOROS CARNÍVOROS II Consumidores primarios Consumidores secundarios Consumidores terciarios
Cadenas Alimentarias En las cadenas alimentarias, el representante del nivel trófico superior se come al representante del nivel trófico inferior, originando una relación lineal de la energía. Las comunidades rara vez muestran cadenas alimentarias consumidores primarios secundarios y terciarios. Normalmente forman redes o tramas alimentarias donde muchas cadenas se interrelacionan. Muchas veces los animales que comen de todo y el hombre ( omnívoro) actúa en diferentes momentos como consumidor primario , secundario o terciario.
La energía en la cadena alimentaria En los seres vivos la energía fluye a lo largo de las comunidades. Cada categoría de organismo se llama nivel trófico ( que significa nivel de alimentación). Los productores, desde las bacterias hasta los árboles más grandes como el alerce, obtienen su energía directamente de la luz solar. Los consumidores forman varios niveles tróficos y algunos, incluso, cambian de niveles al comer organismos de diferentes niveles. Así por ejemplo, los gorriones comen semillas o insectos
La energía en el ecosistema Transferencia de energía en una cadena trófica Pérdidas por calor en respiración Energía luminosa Energía química (glucosa) 1% de energía luminosa Restos no aprovechables por el nivel trófico siguiente Incremento biomasa aprovechable por herbívoros (10%)
La energía en el ecosistema Flujo de materia y energía en el ecosistema (I) Pérdida de energía 10% 10% Na, K, Mg, Ca, Sulfatos, nitratos, fosfatos Humus edáfico Flujo de materia: cerrado • • • Flujo de energía: abierto
La energía en el ecosistema Flujo de materia y energía en el ecosistema (II) Pérdida de energía por reflexión e ineficacia fotosintética Pérdidas de energía por respiración Pérdidas de energía y de materia hacia los descomponedores ¿Son todas las flechas del mismo ancho? Flujo de energía en la biocenosis. Tamaños de los recuadros, anchura de flechas y cifras de unidades de energía (u. e. ) sugieren el modelo general de flujo energético.
Niveles Tróficos
FUNCIONES DE LOS ORGANISMOS EN CADA COMUNIDAD Los organismos fotosintéticos se llaman productores, porque producen alimento para ellos mismos. Además, en forma indirecta, producen alimento para casi todas las otras formas de vida Los organismos que no pueden fotosintetizar, no producen alimento por sí mismos, sino que deben adquirir la energía que se encuentra en las moléculas de los cuerpos de otros organismos. Estos organismos se llaman consumidores
Pirámide Alimentaria
DEPREDADORES En una pirámide se aprecia la estructura alimentaria de un ecosistema en donde conviven productores, consumidores y descomponedores. CARNÍVOROS Los vegetales elaboran materia orgánica a través de la fotosíntesis. HERBÍVOROS Los herbívoros se alimentan de ellos, y a su vez son comidos por predadores o carnívoros. PRODUCTORES DES COMPONEDORES Cuando estos organismos van muriendo, sus restos son transformados en sustancias asimilables por la plantas, proceso en el que intervienen los organismos descomponedores
Pirámide alimenticia • No basta que una cadena alimenticia esté integrada por productores, consumidores de primer y segundo orden, y descomponedores. Además, es indispensable que el número de seres vivos que son parte de cada uno de estos niveles sea diferente, de acuerdo a su posición en la cadena. Así, deberá haber un número mayor de productores que de consumidores primarios, y más consumidores primarios que secundarios. Esta relación entre el número de organismos y el lugar que ocupa en la cadena alimentaria, se conoce como pirámide alimenticia.
La energía en el ecosistema Pirámides ecológicas Son esquemas que se utilizan para representar cuantitativamente las relaciones tróficas entre los distintos niveles de un ecosistema. Se utilizan barras superpuestas que suelen tener una altura constante y una longitud proporcional al parámetro elegido, de manera que el área representada es proporcional al valor del parámetro que se mide. El nivel DESCOMPONEDORES no se suele representar, ya que es difícil de cuantificar. Se suelen usar tres tipos de pirámides: 1. Pirámides de energía, 2. Pirámides de biomasa 3. Pirámides de números.
La energía en el ecosistema Pirámides ecológicas • Forma de representación de cada uno de los niveles tróficos en función de la variable estudiada (producción, biomasa, números) Los descomponedores, a veces, se representan mediante un rectángulo perpendicular al de los productores y apoyado en éste Cada nivel trófico está representado por un rectángulo (o paralelepípedo, si 3 D) El resto de los pisos representa al resto de los niveles tróficos Todas las alturas de los rectángulos son iguales En la base se sitúan los productores El ancho del rectángulo es proporcional al valor de la variable estudiada (en este caso, biomasa) Pirámide de biomasa en los Silver Springs (Florida), surgencias de agua templada de temperatura constante
La energía en el ecosistema Pirámides ecológicas El rectángulo que representa a los productores es siempre el mayor, indicando la cantidad de energía necesaria para sostener el resto de la biocenosis Pirámide de energía Las pirámides de biomasa o números pueden ser invertidas cuando los productores representan poca masa, pero tienen altas tasas de renovación de sus poblaciones, lo que garantiza un rendimiento fotosintético asegurado para el siguiente nivel trófico Pirámides de biomasa Productores con muy poca biomasa, pero altas tasas de renovación de sus poblaciones Las especies herbáceas son más pequeñas, pero mas numerosas Pirámides de números Muchos herbívoros, pero pocas encinas
Ecosistema acuático En un ecosistema acuático la biodiversidad, o número de especies vegetales y animales que habitan en él, es menor que en uno terrestre. La base nutritiva está en el fitoplancton y en el zooplancton. La escala va en ascenso desde los peces y batracios hasta las aves acuáticas como el pato, y aéreas como el águila.
La energía en el ecosistema Relaciones alimentarias Cadenas y redes tróficas (II) CIII CII X CII CI CI P P
La red Trófica del mar
Ecosistema de una laguna
Ecosistema de la sabana africana Animales depredadores Animales carnívoros Animales herbívoros
Ecosistema de un bosque
1. ¿Qué sucedería en el ecosistema si se suprimiera el grupo de los descomponedores? 2. ¿Qué sucedería si se destruyera el grupo de organismos productores? . Fundamenta tu respuesta. 3. La estabilidad de un ecosistema es mayor mientras más grande sea la complejidad de sus relaciones. ¿Te parece acertada esta afirmación? Fundamenta tu respuesta.
La energía en el ecosistema ¿Cómo se mide la energía en el ecosistema? • BIOMASA – Cantidad de materia orgánica que compone un ser vivo, una población, un nivel trófico o una biocenosis – Expresable como kg/m 2, t/ha, kj/m 2, kcal/m 2, g de C/L, etc. (1 j = 0, 24 cal) • PRODUCCIÓN – Incremento de biomasa por unidad de tiempo en un ser vivo, una población, un nivel trófico o una biocenosis – Expresable como kg/m 2/año, kj/m 2/año, kcal/m 2/año, g de C/L/año • Producción Primaria Bruta (PPB): Incremento de biomasa (nuevas hojas, más raíces, flores, etc. ) en los productores debida a la fotosíntesis • Producción Primaria Neta (PPN): Incremento de biomasa en productores en un determinado tiempo, resultante de restar a la PPB lo consumido por los propios productores en respiración (R) (parte de la glucosa sintetizada se consume): PPB – R = PPN • Producción Secundaria Neta (PSN): Incremento de biomasa en un determinado tiempo en los diferentes niveles de consumidores. Resultante de restar a la biomasa ingerida (la disponible como PPN del nivel trófico anterior) la consumida por respiración (glucolisis u otros procesos) y la no aprovechada (desechos) • Producción neta de un ecosistema (PNE): Incremento de biomasa que ha tenido lugar en un ecosistema en un determinado tiempo debida a la fotosíntesis tras restarle todo lo consumido por la respiración de todos los niveles tróficos
Productividad Es la relación entre la producción y la biomasa. p = P / B La productividad bruta será : p. B = PB / B La productividad neta (o tasa de renovación): p. N = r = PN / B La tasa de renovación varía entre 0 y 1, e indica la producción de nueva biomasa en cada nivel trófico en relación con la existente.
La energía en el ecosistema ¿Cómo se mide la energía en el ecosistema? • • • En la siguiente tabla aparecen datos de la producción de dos ecosistemas: un campo de cultivo (baja diversidad específica y alto estrés) y un bosque ecuatorial (alta diversidad específica, bajo estrés) A) Compáralos y justifica las diferencias B) ¿Qué pasaría si en un ecosistema la PNE fuese negativa? Campo de cultivo (kcal/m 2/año) Bosque ecuatorial (kcal/m 2/año) PPB (producción primaria bruta) 54, 2 100 RA (respiración de los productores) 20, 1 71, 1 PPN (producción primaria neta) 34 28, 8 RH (respiración resto niveles tróficos) 1, 8 28, 8 PNE (producción neta del ecosistema) 32, 2 0 RH = Respiración de heterótrofos RA = Respiración de autótrofos PPN = PPB - RA PNE = PPN - RH
Productividad y tiempo de renovación La tasa de renovación es en muchos casos un parámetro mucho mejor que la producción neta para valorar el flujo de energía de un ecosistema. Por ejemplo: El plancton tiene una producción menor que los vegetales terrestres, sin embargo tienen una mayor productividad por que su tasa de reproducción es muy alta y se renuevan muy rápidamente. Por este motivo la biomasa que habitualmente es menor a medida que subimos en los escalones de la pirámide trófica, en este caso es al revés y la biomasa es mayor en los herbívoros que en los productores.
Cuando se empieza a colonizar un territorio la productividad es muy alta, a medida que el territorio se va colonizando y se alcanza la estabilidad la biomasa alcanza un valor máximo y la productividad es mínima. • En un cultivo agrícola la tasa de renovación sería próxima a 1. • En un pastizal sería entre 0 y 1. • En un bosque maduro sería cercana al 0. Un ecosistema estable y muy organizado, tiene una gran cantidad de biomasa y una gran biodiversidad, pero su productividad es baja y disminuye el flujo de energía: entra mucha energía pero se gasta manteniendo una gran cantidad de biomasa. • • La selva tropical tiene una producción muy alta pero una productividad cercana al 0 En las explotaciones agrícolas, el ser humano extrae del ecosistema una gran parte o la totalidad de la biomasa al final de la temporada. Esto disminuye los gastos por respiración y un aumento de la productividad. Sin embargo debe reponerse al suelo la materia extraída.
Tiempo de renovación Es el tiempo que tarda un nivel trófico, o un ecosistema completo, en renovar su biomasa. tr = B / PN Mide el tiempo de permanencia de los elementos químicos dentro de las estructuras biológicas del ecosistema. Los productores pueden presentas dos estrategias en relación a su tr: 1. Especies rápidas. Son pequeños, de estructura y morfología simple, y con una tasa de reproducción alta. Fitoplancton 2. Especies lentas. Son de gran tamaño, estructura y morfología compleja, y una tasa de reproducción muy baja. Bosques de encinas. En los ecosistemas suelen estar presentes ambos tipos para asegurar un aporte energético suficiente al ecosistema. En un lago suele haber fitoplancton y algas más lentas. En un encinar hay también un estrato herbáceo
Los ecosistemas naturales de mayor producción son los arrecifes de coral, los estuarios, las zonas costeras, los bosques ecuatoriales y las zonas húmedas de los continentes. Los menos productivos son los desiertos y las zonas centrales de los océanos.
Ciclos biogeoquímicos Los elementos más importantes que forman parte de la materia viva están presentes en la atmósfera, hidrosfera y geosfera y son incorporados por los seres vivos a sus tejidos. De esta manera, siguen un ciclo biogeoquímico que tiene una zona abiótica y una zona biótica. Ø La primera suele contener grandes cantidades de elementos biogeoquímicos pero el flujo de los mismos es lento, tienen largos tiempos de residencia. Ø En la parte biótica del ciclo, el flujo es rápido pero hay poca cantidad de tales sustancias formando parte de los seres vivos.
Los diferentes elementos químicos pasan del suelo, el agua o el aire a los organismos y de unos seres vivos a otros, hasta que vuelven, cerrándose el ciclo, al suelo o al agua o al aire. CICLOS BIOGEOQUÍMICOS GASEOSOS atmósfera – océanos SEDIMENTARIOS suelo-rocas-minerales
La energía en el ecosistema Ciclos biogeoquímicos El ciclo del carbono Fermentación Plancton Ciclo petrogenético
La energía en el ecosistema Ciclos biogeoquímicos El ciclo del nitrógeno Rhizobium NO 3 -
Ciclo del Nitrógeno Componente esencial de las proteínas y de la atmósfera Estado gaseoso(N 2) Debe fijarse para su utilización Acción química de alta energía Radiación cósmica Relámpagos y rayos Biológico Bacterias fijadoras de nitrógeno
La energía en el ecosistema Ciclos biogeoquímicos El ciclo del fosforo Completamente sedimentario Desconocido en la atmósfera Reservorios en rocas y depósitos naturales de fosfatos
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