Si me quieres de nuevo, búscame bajo las suelas de tus botas.»
– Walt Whitman
En esta lección, aprenderemos las respuestas a las siguientes preguntas:
- ¿Qué es un ecosistema y cómo podemos estudiar uno?
- ¿Es la Tierra un sistema abierto o cerrado con respecto a la energía y los elementos?
- ¿Cómo definimos los «ciclos biogeoquímicos» y qué importancia tienen para los ecosistemas?
- ¿Cuáles son los principales controles del funcionamiento de los ecosistemas?
- ¿Cuáles son los principales factores responsables de las diferencias entre los ecosistemas de todo el mundo?
| 10/20/2017 |  Formato para imprimir |
Introducción
En las clases anteriores hemos aprendido sobre la Tierra y su medio ambiente, y hemos conocido la diversidad de la vida en el planeta y las interacciones ecológicas entre las especies. Ahora combinaremos estos dos componentes básicos y consideraremos cómo el medio ambiente y la vida interactúan en los «ecosistemas». Pero antes debemos volver a un tema introducido al principio de la clase, que es el de la sostenibilidad y cómo la vemos en términos de ciencia de sistemas.
Sostenibilidad y ciencia de sistemas – El ejemplo de sostenibilidad que se utilizó al principio de la clase fue considerar que a todos les doy un dólar cada vez que vienen a clase. La pregunta era: ¿Es eso sostenible? En la clase estuvimos de acuerdo en que se necesitaba más información para responder a esa pregunta. Por ejemplo, necesitábamos saber de cuánto dinero dispongo, o el «stock» de dinero (por ejemplo, si hubiera 100 alumnos en clase y tuviera un stock de 100 dólares, esto funcionaría una vez…). ¿Y si gasto el dinero en otras cosas, como la comida? ¿Cuál es la «entrada» o la tasa de renovación o el «tiempo de rotación» del dinero en mi cuenta bancaria, en comparación con la rapidez con la que consumo el dinero? ¿Y si el tamaño de la clase crece porque la popularidad de la clase aumenta? Enseguida vemos que se trata de un «sistema» que tiene un punto de equilibrio que depende de muchas otras partes del «sistema». Resolver este problema es un ejemplo de «pensamiento sistémico», y tenemos que aprender a aplicarlo a la ciencia y a los problemas de sostenibilidad.
Conceptos científicos, aplicados a los ecosistemas y a la sostenibilidad.
Trabajar con este sencillo ejemplo ilustra lo complejo que puede llegar a ser el tema de la sostenibilidad. Sin embargo, lo que también encontramos es que en todos los problemas de este tipo hay un conjunto común de conceptos y principios científicos clave que aprenderemos a comprender en este curso: estos conceptos incluyen los siguientes (más adelante se darán ejemplos más específicos):
Stock en pie = la cantidad de material en un «pool», como la cantidad de petróleo en el suelo o los gases de efecto invernadero en la atmósfera. «Standing» se refiere a la cantidad en el momento actual (como cuál es el stock de árboles en pie en el bosque ahora mismo).
Balance de masas = hacer la pregunta de «¿se suman los números?». Si necesito 100 dólares cada clase para dar a los alumnos, pero sólo tengo 1 dólar, entonces el balance de masas está mal. También podemos utilizar una ecuación de balance de masas para determinar cómo cambia un sistema a lo largo del tiempo (lo haremos en una conferencia posterior para los gases que atrapan el calor en la atmósfera).
Tasa de flujo de material = la entrada o salida de material de un sistema, como la cantidad de petróleo que bombeamos del suelo cada año, o la cantidad de gas de efecto invernadero que bombeamos a la atmósfera cada año al quemar combustibles fósiles.
Tiempo de residencia = el stock permanente dividido por la tasa de flujo, que proporciona el tiempo medio que los materiales pasan circulando en un conjunto – por ejemplo, el tiempo de residencia del metano en la atmósfera es de unos 10 años.
Realizaciones negativas y positivas = las realimentaciones negativas tienden a ralentizar un proceso, mientras que las positivas tienden a acelerarlo. Por ejemplo, en un mundo que se calienta las capas de hielo se derretirán, lo que reduce el albedo de la Tierra, retenemos más energía calorífica del sol, y eso acelera el calentamiento que a su vez derrite más capas de hielo, esto es una retroalimentación positiva.
¿Qué es un ecosistema?
Un ecosistema está formado por la comunidad biológica que se da en algún lugar, y los factores físicos y químicos que conforman su entorno no vivo o abiótico. Hay muchos ejemplos de ecosistemas: un estanque, un bosque, un estuario, una pradera. Los límites no están fijados de forma objetiva, aunque a veces parezcan obvios, como ocurre con la línea de costa de un pequeño estanque. Por lo general, los límites de un ecosistema se eligen por razones prácticas que tienen que ver con los objetivos del estudio particular.
El estudio de los ecosistemas consiste principalmente en el estudio de ciertos procesos que vinculan los componentes vivos, o bióticos, con los componentes no vivos, o abióticos. Los dos procesos principales que estudian los científicos de los ecosistemas son las transformaciones energéticas y los ciclos biogeoquímicos. Como hemos aprendido antes, la ecología se define generalmente como las interacciones de los organismos entre sí y con el entorno en el que se encuentran. Podemos estudiar la ecología a nivel del individuo, la población, la comunidad y el ecosistema.
Los estudios de los individuos se centran principalmente en la fisiología, la reproducción, el desarrollo o el comportamiento, y los estudios de las poblaciones suelen centrarse en las necesidades de hábitat y recursos de determinadas especies, sus comportamientos de grupo, el crecimiento de la población y los factores que limitan su abundancia o causan su extinción. Los estudios de las comunidades examinan cómo las poblaciones de muchas especies interactúan entre sí, como los depredadores y sus presas, o los competidores que comparten necesidades o recursos comunes.
En la ecología de los ecosistemas juntamos todo esto y, en la medida de lo posible, tratamos de entender cómo funciona el sistema en su conjunto. Esto significa que, en lugar de preocuparnos principalmente por especies concretas, intentamos centrarnos en los principales aspectos funcionales del sistema. Estos aspectos funcionales incluyen cosas como la cantidad de energía que se produce por la fotosíntesis, cómo la energía o los materiales fluyen a lo largo de los muchos pasos de una cadena alimentaria, o lo que controla la tasa de descomposición de los materiales o la tasa a la que los nutrientes (necesarios para la producción de nueva materia orgánica) se reciclan en el sistema.
Componentes de un EcosistemaUsted ya está familiarizado con las partes de un ecosistema. A partir de este curso y de los conocimientos generales, también tienes una comprensión básica de la diversidad de plantas y animales, y de cómo las plantas y los animales y los microbios obtienen agua, nutrientes y alimentos. Podemos aclarar las partes de un ecosistema enumerándolas bajo los epígrafes «abiótico» y «biótico».
| Luz solar | Productores primarios |
| Temperatura | Herbívoros |
| Precipitación | Carnívoros |
| Agua o humedad | Omnívoros |
| Química del suelo o del agua (e.g., P, NO3, NH4) | Detritores |
| etc. | etc. |
En general, este conjunto de componentes y factores ambientales es importante en casi todas partes, en todos los ecosistemas.
Por lo general, las comunidades biológicas incluyen las «agrupaciones funcionales» indicadas anteriormente. Un grupo funcional es una categoría biológica compuesta por organismos que realizan principalmente el mismo tipo de función en el sistema; por ejemplo, todas las plantas fotosintéticas o los productores primarios forman un grupo funcional. La pertenencia al grupo funcional no depende mucho de quiénes sean los actores reales (especies), sólo de la función que desempeñen en el ecosistema.
Procesos de los ecosistemas
Esta figura con las plantas, la cebra, el león, etc., ilustra las dos ideas principales sobre el funcionamiento de los ecosistemas: los ecosistemas tienen flujos de energía y los ecosistemas reciclan materiales. Estos dos procesos están relacionados, pero no son exactamente lo mismo (véase la figura 1).
Figura 1. Flujos de energía y ciclos de materiales.
La energía entra en el sistema biológico como energía luminosa, o fotones, se transforma en energía química en las moléculas orgánicas mediante procesos celulares que incluyen la fotosíntesis y la respiración, y finalmente se convierte en energía térmica. Esta energía se disipa, es decir, se pierde en el sistema en forma de calor; una vez que se pierde, no se puede reciclar. Sin el aporte continuo de energía solar, los sistemas biológicos se apagarían rápidamente. Por lo tanto, la Tierra es un sistema abierto con respecto a la energía.
Elementos como el carbono, el nitrógeno o el fósforo entran en los organismos vivos de diversas maneras. Las plantas obtienen los elementos de la atmósfera, el agua o el suelo. Los animales también pueden obtener elementos directamente del entorno físico, pero por lo general los obtienen principalmente como consecuencia del consumo de otros organismos. Estos materiales se transforman bioquímicamente dentro de los cuerpos de los organismos, pero tarde o temprano, debido a la excreción o la descomposición, se devuelven a un estado inorgánico (es decir, material inorgánico como el carbono, el nitrógeno y el fósforo, en lugar de que esos elementos estén unidos a la materia orgánica). A menudo las bacterias completan este proceso, a través del proceso llamado descomposición o mineralización (véase la próxima conferencia sobre los microbios).
Durante la descomposición estos materiales no se destruyen ni se pierden, por lo que la Tierra es un sistema cerrado con respecto a los elementos (con la excepción de un meteorito que entra en el sistema de vez en cuando…). Los elementos se mueven sin cesar entre sus estados bióticos y abióticos dentro de los ecosistemas. Los elementos cuyo suministro tiende a limitar la actividad biológica se llaman nutrientes.
La transformación de la energía
Las transformaciones de la energía en un ecosistema comienzan primero con la entrada de energía del sol. La energía del sol se capta mediante el proceso de fotosíntesis. El dióxido de carbono se combina con el hidrógeno (derivado de la división de las moléculas de agua) para producir carbohidratos (la notación abreviada es «CHO»). La energía se almacena en los enlaces de alta energía del trifosfato de adenosina, o ATP (véase la conferencia sobre la fotosíntesis).
El profeta Isaah dijo que «toda la carne es hierba», lo que le valió el título de primer ecologista, porque prácticamente toda la energía disponible para los organismos se origina en las plantas. Dado que es el primer paso en la producción de energía para los seres vivos, se denomina producción primaria (haga clic aquí para ver un manual sobre la fotosíntesis). Los herbívoros obtienen su energía consumiendo plantas o productos vegetales, los carnívoros se comen a los herbívoros y los detritívoros consumen los excrementos y los cadáveres de todos nosotros.
La figura 2 representa una cadena alimentaria simple, en la que la energía del sol, capturada por la fotosíntesis de las plantas, fluye del nivel trófico al nivel trófico a través de la cadena alimentaria. Un nivel trófico está compuesto por organismos que se ganan la vida de la misma manera, es decir, todos son productores primarios (plantas), consumidores primarios (herbívoros) o consumidores secundarios (carnívoros). Los carroñeros, los detritívoros y los descomponedores se encargan colectivamente de utilizar todos esos «residuos»: los consumidores de cadáveres y hojas caídas pueden ser otros animales, como cuervos y escarabajos, pero en última instancia son los microbios los que terminan el trabajo de descomposición. No es de extrañar que la cantidad de producción primaria varíe mucho de un lugar a otro, debido a las diferencias en la cantidad de radiación solar y la disponibilidad de nutrientes y agua.
Por razones que exploraremos más a fondo en las siguientes conferencias, la transferencia de energía a través de la cadena alimentaria es ineficiente. Esto significa que hay menos energía disponible en el nivel de los herbívoros que en el de los productores primarios, menos aún en el nivel de los carnívoros, y así sucesivamente. El resultado es una pirámide de energía, con importantes implicaciones para entender la cantidad de vida que se puede sostener.
Por lo general, cuando pensamos en cadenas alimentarias visualizamos plantas verdes, herbívoros, etc. Se denominan cadenas alimentarias de pastoreo, porque las plantas vivas se consumen directamente. En muchas circunstancias, el principal aporte energético no son las plantas verdes, sino la materia orgánica muerta. Los ejemplos incluyen el suelo del bosque o un arroyo en una zona boscosa, una marisma y, obviamente, el fondo del océano en zonas muy profundas donde toda la luz solar se extingue a miles de metros de altura. En conferencias posteriores volveremos a tratar estos importantes temas relacionados con el flujo de energía.
Por último, aunque hemos hablado de cadenas alimentarias, en realidad la organización de los sistemas biológicos es mucho más complicada de lo que puede representar una simple «cadena». En un ecosistema hay muchos eslabones y cadenas alimentarias, y nos referimos a todos estos vínculos como una red alimentaria. Las redes alimentarias pueden ser muy complicadas, ya que parece que «todo está conectado con todo lo demás» (este es uno de los puntos principales de esta conferencia), y es importante entender cuáles son los vínculos más importantes en cualquier red alimentaria. La siguiente pregunta es cómo determinamos cuáles son los procesos o vínculos importantes en las redes alimentarias o los ecosistemas. Los científicos de los ecosistemas utilizan varias herramientas diferentes, que pueden describirse en general bajo el término «biogeoquímica».
Biogeoquímica
¿Cómo podemos estudiar cuáles de estos vínculos en una red alimentaria son los más importantes? Una forma obvia es estudiar el flujo de energía o el ciclo de los elementos. Por ejemplo, el ciclo de los elementos está controlado en parte por los organismos, que almacenan o transforman los elementos, y en parte por la química y la geología del mundo natural. El término biogeoquímica se define como el estudio de cómo los sistemas vivos (biología) influyen y son controlados por la geología y la química de la tierra. Así pues, la biogeoquímica abarca muchos aspectos del mundo abiótico y biótico en el que vivimos.
Los biogeoquímicos utilizan varios principios y herramientas principales para estudiar los sistemas terrestres. La mayoría de los principales problemas medioambientales a los que nos enfrentamos en nuestro mundo actual pueden analizarse utilizando principios y herramientas biogeoquímicas. Estos problemas incluyen el calentamiento global, la lluvia ácida, la contaminación ambiental y el aumento de los gases de efecto invernadero. Los principios y herramientas que utilizamos pueden dividirse en tres componentes principales: relaciones de elementos, balance de masas y ciclo de elementos.
1. Proporciones de elementos
En los sistemas biológicos, nos referimos a elementos importantes como «conservadores». Estos elementos son a menudo nutrientes. Por «conservador» queremos decir que un organismo puede cambiar sólo ligeramente la cantidad de estos elementos en sus tejidos si quiere seguir gozando de buena salud. Lo más fácil es pensar en estos elementos conservadores en relación con otros elementos importantes del organismo. Por ejemplo, en las algas sanas los elementos C, N, P y Fe tienen la siguiente proporción, llamada proporción Redfield en honor al oceanógrafo que la descubrió. La relación del número de átomos de estos elementos (referidos a 1 átomo de P) es la siguiente:
C : N : P : Fe = 106 : 16 : 1: 0,01
Una vez que conozcamos estas relaciones, podemos compararlas con las relaciones que medimos en una muestra de algas para determinar si las algas carecen de uno de los nutrientes limitantes.
2. Balance de masas
Otra herramienta importante que utilizan los biogeoquímicos es una simple ecuación de balance de masas para describir el estado de un sistema. El sistema puede ser una serpiente, un árbol, un lago o el globo entero. Utilizando un enfoque de balance de masas podemos determinar si el sistema está cambiando y a qué velocidad lo está haciendo. La ecuación es:
CAMBIO NETO = ENTRADA + SALIDA + CAMBIO INTERNO
En esta ecuación el cambio neto en el sistema de un período de tiempo a otro está determinado por cuáles son las entradas, cuáles son las salidas y cuál fue el cambio interno en el sistema.El ejemplo dado en clase es el de la acidificación de un lago, considerando las entradas y salidas y el cambio interno del ácido en el lago.
3. Ciclo de los elementos
El ciclo de los elementos describe dónde y cuán rápido se mueven los elementos en un sistema. Hay dos clases generales de sistemas que podemos analizar, como se mencionó anteriormente: sistemas cerrados y abiertos.
Un sistema cerrado se refiere a un sistema donde las entradas y salidas son insignificantes en comparación con los cambios internos. Ejemplos de este tipo de sistemas serían una botella o un globo terráqueo. Hay dos maneras de describir el ciclo de los materiales dentro de este sistema cerrado, ya sea observando la tasa de movimiento o las vías de movimiento.
- Tasa = número de ciclos / tiempo . A medida que aumenta la tasa, aumenta la productividad
- Vías – importante debido a las diferentes reacciones que pueden ocurrir a lo largo de diferentes vías
En un sistema abierto hay entradas y salidas, así como el ciclo interno. Por lo tanto, podemos describir las tasas de movimiento y las vías, al igual que lo hicimos para el sistema cerrado, pero también podemos definir un nuevo concepto llamado el tiempo de residencia (uno de nuestros conceptos científicos mencionados al principio de la conferencia).El tiempo de residencia indica cuánto tiempo en promedio un elemento permanece dentro del sistema antes de salir del sistema.
- Tasa
- Vías
- Tiempo de residencia, Rt
Rt = cantidad total de materia/tasa de salida de la materia
(Obsérvese que las «unidades» en este cálculo deben cancelarse correctamente)
Control de la función del ecosistema
Ahora que hemos aprendido algo sobre cómo se componen los ecosistemas y cómo fluyen los materiales y la energía a través de ellos, podemos abordar mejor la cuestión de «qué controla la función del ecosistema». Hay dos teorías dominantes sobre el control de los ecosistemas. La primera, denominada control ascendente, afirma que es el suministro de nutrientes a los productores primarios lo que controla en última instancia el funcionamiento de los ecosistemas. Si se incrementa el suministro de nutrientes, el aumento resultante de la producción de los autótrofos se propaga a través de la red alimentaria y todos los demás niveles tróficos responderán a la mayor disponibilidad de alimentos (la energía y los materiales circularán más rápidamente).
La segunda teoría, denominada control descendente, afirma que la depredación y el pastoreo por parte de los niveles tróficos superiores sobre los niveles tróficos inferiores controla en última instancia la función del ecosistema. Por ejemplo, si hay un aumento de depredadores, ese aumento se traducirá en un menor número de herbívoros, y esa disminución de los herbívoros se traducirá a su vez en un mayor número de productores primarios, ya que los herbívoros se comen a un menor número de ellos. De este modo, el control del número de poblaciones y de la productividad global se produce en cascada desde los niveles superiores de la cadena alimentaria hasta los niveles tróficos inferiores. En conferencias anteriores también se introdujo esta idea y se explicó como «cascada trófica».
Entonces, ¿qué teoría es la correcta? Bueno, como suele ocurrir cuando hay una dicotomía clara entre la que elegir, la respuesta se encuentra en algún punto intermedio. Muchos estudios sobre los ecosistemas demuestran que AMBOS controles funcionan en cierta medida, pero que NINGUNO de ellos es completo. Por ejemplo, el efecto «descendente» suele ser muy fuerte en los niveles tróficos cercanos a los principales depredadores, pero el control se debilita a medida que se desciende en la cadena alimentaria hacia los productores primarios. Del mismo modo, el efecto «ascendente» de la adición de nutrientes suele estimular la producción primaria, pero la estimulación de la producción secundaria más arriba en la cadena alimentaria es menos fuerte o está ausente.
Por lo tanto, nos encontramos con que ambos controles están operando en cualquier sistema en cualquier momento, y debemos entender la importancia relativa de cada control para ayudarnos a predecir cómo se comportará o cambiará un ecosistema en diferentes circunstancias, como por ejemplo ante un cambio climático.
La geografía de los ecosistemas
Hay muchos ecosistemas diferentes: selvas tropicales y tundra, arrecifes de coral y estanques, praderas y desiertos.Las diferencias climáticas de un lugar a otro determinan en gran medida los tipos de ecosistemas que vemos. La forma en que nos parecen los ecosistemas terrestres está influenciada principalmente por la vegetación dominante.
La palabra «bioma» se utiliza para describir un tipo de vegetación importante, como la selva tropical, las praderas, la tundra, etc., que se extiende por una gran zona geográfica (Figura 3). Nunca se utiliza para sistemas acuáticos, como estanques o arrecifes de coral. Siempre se refiere a una categoría de vegetación que es dominante en una escala geográfica muy grande y, por lo tanto, es algo más amplia geográficamente que un ecosistema.
Figura 3: La distribución de los biomas.
Podemos basarnos en lecciones anteriores para recordar que los patrones de temperatura y precipitación de una región son distintivos.Cada lugar de la Tierra recibe el mismo número total de horas de luz solar cada año, pero no la misma cantidad de calor. Los rayos del sol inciden directamente en las latitudes bajas y oblicuamente en las altas. Esta distribución desigual del calor no sólo genera diferencias de temperatura, sino también vientos y corrientes oceánicas globales que, a su vez, tienen mucho que ver con el lugar donde se producen las precipitaciones. Si añadimos los efectos de enfriamiento de la elevación y los efectos de las masas de tierra sobre la temperatura y las precipitaciones, obtenemos un complicado patrón climático global.
Una vista esquemática de la Tierra muestra que, aunque el clima sea complicado, muchos aspectos son predecibles (Figura 4). La alta energía solar que incide cerca del ecuador garantiza temperaturas casi constantes y altas tasas de evaporación y transpiración de las plantas.El aire caliente se eleva, se enfría y se deshace de su humedad, creando justo las condiciones para una selva tropical. Contrasta la temperatura estable pero la precipitación variable de un sitio en Panamá con la precipitación relativamente constante pero la temperatura estacionalmente cambiante de un sitio en el estado de Nueva York. Cada lugar tiene un gráfico de lluvia y temperatura que es típico de una región más amplia.
Figura 4. Los patrones climáticos afectan a la distribución de los biomas.
Podemos recurrir a la fisiología de las plantas para saber que ciertas plantas son distintivas de ciertos climas, creando el aspecto de la vegetación que llamamos biomas. Obsérvese cómo la distribución de los biomas coincide con la distribución de los climas (Figura 5). Obsérvese también que algunos climas son imposibles, al menos en nuestro planeta. Las altas precipitaciones no son posibles a bajas temperaturas: no hay suficiente energía solar para alimentar el ciclo del agua, y la mayor parte del agua está congelada y, por tanto, biológicamente no disponible durante todo el año. La tundra alta es tan desértica como el Sahara.
Figura 5. La distribución de los biomas en relación con la temperatura y las precipitaciones.
Resumen
- Los ecosistemas están formados por componentes abióticos (no vivos, ambientales) y bióticos, y estos componentes básicos son importantes para casi todos los tipos de ecosistemas. La ecología de los ecosistemas estudia las transformaciones energéticas y el ciclo biogeoquímico dentro de los ecosistemas.
- La energía se introduce continuamente en un ecosistema en forma de energía luminosa, y parte de ella se pierde con cada transferencia a un nivel trófico superior. Los nutrientes, por otro lado, se reciclan dentro de un ecosistema, y su suministro normalmente limita la actividad biológica. Así pues, «la energía fluye, los elementos ciclan».
- La energía se mueve a través de un ecosistema mediante una red alimentaria, que está formada por cadenas alimentarias entrelazadas. La energía se capta primero mediante la fotosíntesis (producción primaria). La cantidad de producción primaria determina la cantidad de energía disponible para los niveles tróficos superiores.
- El estudio de cómo los elementos químicos circulan por un ecosistema se denomina biogeoquímica. Un ciclo biogeoquímico puede expresarse como un conjunto de almacenes (reservas) y transferencias, y puede estudiarse utilizando los conceptos de «estequiometría», «equilibrio de masas» y «tiempo de residencia».
- La función del ecosistema está controlada principalmente por dos procesos, los controles «descendentes» y «ascendentes».
- Un bioma es un tipo de vegetación principal que se extiende por una gran zona. La distribución de los biomas está determinada en gran medida por los patrones de temperatura y precipitación en la superficie de la Tierra.
Revisión y autoexamen
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Revisión de los principales términos y conceptos de esta clase.
Lecturas sugeridas:
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