Circulación de Matería y Energía en la Biosfera

Ecosistema: Es un sistema natural integrado por componentes vivos y no vivos que interactúan entre sí.

(Componentes bióticos + componentes abióticos)

Biocenosis: Comunidad de los seres vivos (componentes bióticos) que componen un ecosistema.

Biotopo: Es el ambiente físico y químico (componentes abióticos) donde se desarrolla un ecosistema.

Biosfera: Es el conjunto formado por todos los seres vivos que habitan la tierra.

Ecosfera: es el conjunto formado por todos los ecosistemas de la tierra, o sea, es el gran ecosistema planetario.

Biomas: Diferentes ecosistemas que hay en la Tierra.

Mecanismo de transferencia de energía de unos organismo a otros en forma de alimento.

Son relaciones de alimentación que se representan mediante cadenas o redes tróficas.

1º nivel trófico. Transforman la materia inorgánica en orgánica mediante la energía solar (fotosíntesis) o la energía liberada en reacciones de oxidación (quimiosíntesis).

Parte de la materia orgánica sintetizada, es consumida directamente en el proceso de la respiración celular.

El resto se almacena en forma de tejidos y puede ser transferida a los siguientes niveles tróficos.

PRODUCTORES

H2O + CO2

Pigmentos fotosintéticos

Energía solar +

Materia inorgánica

Materia orgánica propia

(Glucosaotras moléculas)

FOTOSÍNTESIS (O QUIMIOSÍNTESIS)

+ O2

Crecimiento y reparación celular(Reacciones químicas de síntesis que

consumen energía)

+

ANABOLISMO CATABOLISMO

Obtención energía (Respiración celular)

Movimiento

Calor

Reacciones metabólicas

Se produce en los cloroplastos y su reacción global es:6 CO2 + 6 H2O + Energía luminosa C6H12O6 + 6 O2

La energía lumínica es captada por la clorofila de las plantas y utilizada para generar moléculas de ATP y NADPH (Fase luminosa).

En una segunda fase (Fase oscura) la energía química contenida en el ATP y el NADPH es utilizada para reducir moléculas de CO2 hasta gliceraldehido, a partir del cual se sintetizan las moléculas orgánicas, principalmente glucosa.

Con la glucosa se forma almidón, celulosa y otros carbohidratos esenciales en la constitución de las plantas.

Organismos heterótrofos que utilizan la materia orgánica ya formada.

Consumidor cuaternario

Consumidor terciario

Consumidor secundario

Consumidor primario

Productor

Herbívoros: consumidores primarios que se alimentan de los productores.Carnívoros: Se alimentan de los herbívoros.Supercarnívoros

CONSUMIDORES

Alimento (Materia orgánica)

Materia orgánica propia

Digestión y otras transformaciones(Componentes sencillos alimento)

Alimento no digerido (Excrementos )

Crecimiento y reparación celular(Reacciones químicas de síntesis que

consumen energía)

+

ANABOLISMO CATABOLISMO

Obtención energía (Respiración celular)

Movimiento

Calor

Reacciones metabólicas

Se realiza en las mitocondrias:C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + Energía

En la respiración se oxidan las moléculas orgánicas con O2 del aire para obtener la energía necesaria para los procesos vitales.

La energía desprendida en esta reacción queda almacenada en ATP y NADH que la célula puede utilizar para cualquier proceso en el que se necesite energía.

Transforman la materia orgánica en materia mineral: › Bacterias y hongos. Productores

Consumidores

Descomponedores

Tejidos muertos

Otros: Omnívoros, necrófagos, saprofitos, detritívoros...

El ciclo de materia tiende a ser cerradoEl ciclo de materia tiende a ser cerrado

CICLO DE MATERIA: La materia orgánica se recicla por acción de los descomponedores en sales minerales que sirven de nutrientes para los productores.

FLUJO DE ENERGÍA: La energía solar entra mediante la fotosíntesis en la cadena trófica y pasa de unos eslabones a otros mediante un flujo abierto y unidireccional

El flujo va disminuyendo al degradarse parte de la energía por la respiración y las pérdidas por calor.

El flujo de energía es abiertoEl flujo de energía es abierto

BIOMASA Cantidad en peso de materia orgánica (viva o

muerta) de algún nivel trófico o ecosistema.

Se expresa en unidades de peso o de energía y puede estar referida a unidades de superficie o volumen (g C/cm2 , kg C/m2 , tm C/ha).

Es una medida del almacenamiento de la energía solar en forma de energía química.

PRODUCCIÓN Se refiere al incremento de biomasa. Es una

medida del flujo de energía que recorre el ecosistema por unidad de superficie y tiempo.› Producción primaria: es la cantidad de energía

luminosa transformada en materia orgánica (biomasa) por los productores. › Producción secundaria: Se refiere a la biomasa

producida por los consumidores.

Producción (P) = Biomasa / Tiempo

Producción bruta:Es el total de energía fijada por unidad de tiempo en un nivel trófico.

Producción neta:Es la energía almacenada en un nivel trófico. Es el aumento de biomasa por unidad de tiempo. O sea la energía que queda a disposición del siguiente nivel trófico después de descontar la respiración.Producción neta (PN) = Producción bruta (PB) ─ Respiración

PRODUCTORES

H2O + CO2

Pigmentos fotosintéticos

Energía solar +

Materia inorgánica

Materia orgánica propia

(Glucosaotras moléculas) (PRODUCCIÓN PRIMARIA BRUTA)

FOTOSÍNTESIS (O QUIMIOSÍNTESIS)(PRODUCCIÓN PRIMARIA)

+ O2

Crecimiento y reparación celular(Reacciones químicas de síntesis que

consumen energía)

(PRODUCCIÓN PRIMARIA NETA)

+

ANABOLISMO CATABOLISMO

Obtención energía (Respiración celular)

Movimiento

Calor

Reacciones metabólicas

(CONSUMO ENERGÉTICO)

Bosque : Gran cantidadde productores primarios: Producción Primaria bruta alta.Producción neta baja. Ya quelos organismos consumen muchoen la respiración para mantenersus estructuras.

Pradera: Predominanciade plantas anuales que sufrenintensa depredación: Producción primaria bruta baja. Producción neta proporcionalmente alta. El gasto en respiración es bajo debido a que no tiene que mantener estructuras complejas.

CONSUMIDORES

Alimento (Materia orgánica)

Materia orgánica propia (PRODUCCIÓN SECUNDARIA BRUTA )

Digestión y otras transformaciones(Componentes sencillos alimento)

(PRODUCCIÓN SECUNDARIA ) Alimento no digerido

(Excrementos )

Crecimiento y reparación celular(Reacciones químicas de síntesis que consumen

energía)(PRODUCCIÓN SECUNDARIA NETA)

+

ANABOLISMO CATABOLISMO

Obtención energía (Respiración celular)

Movimiento

Calor

Reacciones metabólicas

(CONSUMO ENERGÉTICO)

La energía que pasa de un eslabón a otro es aproximadamente el 10% de la acumulada en él.

PRODUCTIVIDAD: Relación que existe entre producción neta y biomasa. Indica la producción de nueva biomasa en relación con la existente. Es un índice de la velocidad de renovación del ecosistema o tasa de renovación. Varia entre 0 y 1.

TIEMPO DE RENOVACIÓN: Tiempo que tarda en renovarse un nivel trófico.

Productividad = (Producción neta / Biomasa) × 100

Tiempo de renovación = Biomasa / Producción neta (días, años…)

EFICIENCIA: cociente entre la energía fijada en un nivel trófico o ecosistema y la energía que llega a ese ecosistema o nivel, o lo que es lo mismo: cociente salidas/entradas. › Productores: Energía asimilada (Biomasa)/Energía

incidente (Aprox 1-3%)› Consumidores: PN/alimento total ingerido.› PN/PB(Energía asimilada) Calcula las pérdidas por

respiración (Vegetales >50% de eficiencia)› PN/PN (nivel inferior) x 100

Eficiencia = PN del nivel n / PN del nivel n-1 × 100

Eficiencia de la PPB (Ea/Ei)

% dedicado a Respiración (Pn/Pb)

Comunidades de fitoplancton

< 0,5%10 - 40%

Plantas acuáticas enraizadas y algas de poca profundidad

> 0,5%

Bosques 2 - 3'5% 50 - 75%

Praderas y comunidades herbáceas

1 - 2% 40 - 50%

Cosechas< 1,5% 40 - 50%

La eficiencia sirve para valorar los ecosistemas explotados por el hombre.

Pirámides de números: Representa el nº de individuos en un nivel trófico.

Pirámides de biomasa: Representa la biomasa acumulada en ese nivel. En sistemas acuáticos la base puede ser más pequeña que el siguiente escalón.

Pirámides de energía: Sigue la regla del 10%, la base representa la cantidad de energía en ese nivel.

Pirámides de energía Pirámides de números

Pirámides de biomasa

CLIC SOBRE LAS PIRÁMIDES PARA AMPLIAR

Representa el nº de individuos en un nivel trófico.

Consumidores secundarios:3 individuos/km2

Consumidores primarios:2,5 × 104 individuos/km2

Productores:3,7 × 105 individuos/km2

Consumidores secundarios:8 individuos

Consumidores primarios:92 individuos

Productores:1 individuo

VOLVER

Consumidores terciarios:1,9 × 107 kcal/km2 · año

Consumidores secundarios:5 × 108 kcal/km2 · año

Consumidores primarios:7 × 109 kcal/km2 · año

Productores:5 × 1010 kcal/km2 · año

VOLVER

Representa la biomasa acumulada en ese nivel.

Consumidores secundarios:12 g peso seco/m2

Consumidores primarios:43 g peso seco/m2

Productores:950 g peso seco/m2

Consumidores terciarios:1 g peso seco/m2

Consumidores secundarios:5,3 × 105 gC/km2

Consumidores primarios:7 × 105 gC/km2

Productores:1,6 × 105 gC/km2

Consumidores terciarios:8 × 104 gC/km2

Consumidores secundarios:5 × 103 gC/km2

Consumidores primarios:3,1 × 105 gC/km2

Productores:9,3 × 105 gC/km2

Consumidores primarios:21 g peso seco/m2

Productores:5 g peso seco/m2

VOLVER

En sistemas acuáticos la base puede ser más pequeña que el siguiente escalón.

LEY DEL MÍNIMO: 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.

Temperatura Agua (humedad) Nutrientes (nitrógeno y fósforo) Luz Concentración de CO2

http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/Fisiologia_celular/contenidos11.htm

Un aumento incrementa la producción, pero si aumenta en exceso decrece bruscamente.

Niveles altos de CO2 aumentan la productividad como ocurre en invernaderos.

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.

Si el nivel de CO2 es bajo cae la fotosíntesis, debido a que la enzima RuBisCO promueve la fotorrespiración.

[CO2] [CO2]

Según como tenga lugar este proceso existen diversos 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.

Una mayor cantidad de luz provoca un aumento de la productividad hasta cierto nivel, sobrepasado el cual no aumenta la productividad.

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.

Atmósfera

Hidrosfera

Corteza terrestre

Biosfera

Son los caminos realizados por la materia, cuando escapan de la biosfera y pasan por la atmósfera, hidrosfera y litosfera. Tienden a ser cerrados.

Las actividades humanas ocasionan la apertura y aceleración de los mismos.

Las acciones humanas contravienen el principio de sostenibilidad de los ecosistemas: reciclar al máximo la materia para obtener nutrientes y que no se produzcan desechos.

Atmósfera

Hidrosfera Corteza

Ozono (O3)

Oxígeno molecular (O2)

Óxidos gaseosos(COx, SOx, NOx)

Radiación ultravioleta

Forma parte biomoléculas y agua

O2 disuelto

Agua (H2O)Hidroxilo (OH-)

Aniones (SO4

-, NO3-, CO3

2-)

Óxidos metálicos(Fe2O3 y otros)

Oxisales (CaSO4 y otros)

Silicatos (minerales de arcilla y otros)

Meteorización química(oxidación)

Escape a la atmósfera

DisoluciónFotosíntesis

Respiración D

esc

om

posi

ción

a

naer

obia

Respiración

Fotosíntesis Dis

oluc

ión

de

sale

s so

lub

les

Biosfera

Ciclo biológico: Fotosíntesis que fija carbono y respiración que lo devuelve.

Ciclo biogeoquímico: Atmósfera e hidrosfera intercambian CO2 por difusión.› Paso del CO2 de la atmósfera a la litosfera: el

CO2 se disuelve en agua que ataca rocas (carbonatadas y silicatadas) formando compuestos que irán al mar.› Retorno del CO2 a la atmósfera mediante

erupciones.› Sumideros fósiles.

CO2 ATMOSFÉRICO

PRODUCTORES CONSUMIDORES

RESPIRACIÓN

Restos RestosRE

SPIR

ACIÓ

N

FOTO

SÍNT

ESIS

QUIM

IOSÍ

NTES

IS

RESP

IRACI

ÓN y

DES

COM

POSI

CIÓN

CARBÓN Y PETRÓLEO

Combustión

Descomposición

anóxicaCO2 disuelto en HIDROSFERA

Incendios

Vulcanismo

DESCOMPONEDORES

Caparazones y esqueletos

ROCAS CARBONATADAS

Fija

ción

bioqu

ímica

Equilibrio

Disolución rocas carb onatadas

Met

eoriz

ació

n qu

ímic

a

LITOSFERA: Mayor depósito terrestre de carbono.

CO2 ATMOSFÉRICO

PRODUCTORES CONSUMIDORES

RESPIRACIÓN

Restos RestosRE

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CARBÓN Y PETRÓLEO

Combustión

Descomposición

anóxicaCO2 disuelto en HIDROSFERA

Incendios

Vulcanismo

DESCOMPONEDORES

Caparazones y esqueletos

ROCAS CARBONATADAS

Fija

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rbon

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Met

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LITOSFERA: Mayor depósito terrestre de carbono.

Atmósfera

Hidrosfera Corteza

Metano (CH4)

Clorofluorocarbonos

Dióxido de carbono (CO2)

Oxidación

Forma biomoléculas y exoesqueletos y conchas

CO2 disuelto como ion HCO3

- e ion CO3-

CH4 acumulado en sedimentos

Magmas, rocas calizas, combustibles fósiles y materia orgánica muerta en el suelo

Disolución Difusión a la atmósfera

Actividadvolcánica

Meteorización química(carbonatación)

Fotosíntesis

Respiracióny combustión

Res

pira

ción

y a

ctiv

idad

de

bac

teri

as m

etan

óge

nas

FotosíntesisD

iso

luci

ón

de

carb

onat

os

Precipitación

Biosfera

El N2 se encuentra en grandes cantidades en forma de gas en la atmosfera, pero es inaccesible para la mayoría de seres vivos.

Es después del P el principal condicionante de la producción de biomasa. Es imprescindible para la construcción de aminoácidos y ácidos nucleicos.

El ciclo consta de 4 procesos:

La fijación (N2 NOx) se puede realizar en la atmósfera, pero la mayor parte la realizan microoganismos.

La amonificación (NH3) la realizan bacterias que producen amoniaco proveniente de la descomposición de seres vivos.

La nitrificación la realizan bacterias que transforman el amoniaco en primer lugar en nitritos NO2 y después en nitratos NO3.

La desnitrificación la realizan bacterias anaeróbicas que descomponen los nitritos en N2.

N2 ATMOSFÉRICO

VEGETALES CONSUMIDORES

Restos orgánicos

DESCOMPONEDORESNO3-

(Nitratos)

NH4+

(Amonio)

Fija

ción

bió

tica

(Azo

toba

cter

, Clos

trid

ium,

cian

obac

teria

s, Ac

tinom

icete

s…)

Amonificación(Bact. Quimiorganotrofas)

NO2-

(Nitritos)

Nitrosación

(Nitrosomonas sp.)

NitrificaciónNitración

(Nitrobacter sp.)

LEGUMINOSAS(Rhizobium sp.)

Fijación simbiótica

Absor

ción

Des

nitr

ific

ació

n

(hon

gos

y Ps

eudo

mon

as…)

Fija

ción

abiót

ica

Vulcanismo

ACTIVIDAD HUMANA: Combustiones, Fijación industrial, uso fertilizantes

N2 ATMOSFÉRICO

VEGETALES CONSUMIDORES

Restos orgánicos

DESCOMPONEDORESNO3-

(Nitratos)

NH4+

(Amonio)

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Amonificación(Bact. Quimiorganotrofas)

NO2-

(Nitritos)

Nitrosación

(Nitrosomonas sp.)

NitrificaciónNitración

(Nitrobacter sp.)

LEGUMINOSAS(Rhizobium sp.)

Fijación simbiótica

Absor

ción

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Fija

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Vulcanismo

ACTIVIDAD HUMANA: Combustiones, Fijación industrial, uso fertilizantes

Hidrosfera CortezaBiosfera

Biomoléculas (ácidos nucleicos y aminoácidos)

Disolución de óxidosen el agua de

las precipitaciones

Desnitrificación bacteriana y putrefacción

Iones solubles: nitrato (NO3-),

nitrito (NO2-), amonio (NH4

+).

Materia orgánica (sedimentos)

Nitratos (NaNO3)(evaporitas)

Óxidos (NOx)

Amoniaco (NH3)

Nitrógeno molecular (N2)

Oxidación por lasdescargas eléctricas

Escape como residuo

de actividades humanas

Actividad volcánica

Met

eoriz

ació

n(d

isol

ució

n)

Precipitación

Pu

tref

acci

ón

y ap

orte

de

orig

en a

ntró

pico

Asimilación

Meteorización (disolución)

Fijación por bacterias y cianobacterias

La reserva principal de fósforo lo constituyen los fosfatos (litosfera -> lento retorno).

Existe mucho más N que P en la Tierra, pero los organismos necesitamos tener más P que N, por ello es el principal factor limitante para la producción de biomasa.

Hidrosfera

Corteza

Biosfera

Extracción para obtener fertilizantes

<<

Forma parte de biomoléculas (ATP) y esqueletos

PO43-

HPO42-

H2PO4-

Rocas volcánicas y sedimentarias(fosforitas)

Absorción por parte de los productores

Descomposición

Precipitación

Meteorización

El S se encuentra mayoritariamente en la hidrosfera en forma de sulfatos.

Las plantas y microorganismos pueden incorporar directamente como sulfato.

El sulfuro de hidrogeno puede generar lluvias ácidas.

Atmósfera

Hidrosfera CortezaBiosfera

Sulfuro de hidrógeno (H2S)

Óxidos gaseosos (SOx)

Oxidación

Actividad humanaBiomoléculas

Sulfuro de hidrógeno (H2S)

Aniones (SO22-, SO3

2-, SO42-)

Volcanes

Yeso (CaSO4 · 2 H2O)

Combustión de combustibles fósiles, principalmente carbón rico en azufre Actividad volcánica

Disolución conel agua de lluvia

Escape a la atmósfera

Des

com

posi

ció

n y

prod

ucto

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exc

reci

ón.

Des

echo

s d

e m

ine

ría

de c

arbó

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Fotosíntesisdel azufre

Met

eoriz

ació

n qu

ímic

a (d

isol

ució

n)Precipitación