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biologia
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MATERIA Y ENERGÍA EN LOS ECOSISTEMAS
PRIMERO MEDIO PROFESORA: KATHERINE VIDELA
DEFINICIONES
La BIOSFERA es el conjunto de todos los seres vivos que habitan el planeta Tierra.
Es un sistema abierto pues intercambio materia y energía con el entorno
Un ECOSISTEMA es el conjunto de seres vivos que habitan en un determinado lugar, el medio físico en que viven y las relaciones que establecen entre sí y con el medio.
“La ciencia que estudia las relaciones, la distribución y la abundancia de los organismos, o grupos de organismos en un ambiente determinado”ECOLOGÍA = OIKOS (GRIEGO: CASA + LOGIA: ESTUDIO DE…)
ECOLOGÍA
Componentes del ecosistema
La parte viva de un ecosistema es la BIOCENOSIS O COMUNIDAD.
Los animales y las plantas
La parte abiótica no viva es el BIOTOPO:• humedad, tª, pH del agua, salinidad, …etc
El biotopo limita la existencia de la biocenosis
Ecosistemas= Biotopo+Biocenosis
RELACIONES TRÓFICAS DE UN ECOSISTEMA
Mecanismos de transferencia de energía de unos organismos a otros en forma de alimento
Son relaciones muy importantes dentro del ecosistema
Se suelen representar en cadenas tróficas y tramas tróficas
NIVELES TRÓFICOS DE UN ECOSISTEMA
Las especies se agrupan en distintos niveles tróficos según la función ecológica que cumplan en el ecosistema:
• PRODUCTORES• CONSUMIDORES Primarios SecundariosTerciariosCuaternarios• DESCOMPONEDORES
Omnívoros
1.- PRODUCTORES
Organismos autótrofos, capaces de sintetizar materia orgánica a partir de inorgánica.
Destacan los fotosintéticos: convierten la energía lumínica en energía química
Organismos fotosintéticos: Plantas, algas, cianobacterias y otras bacterias fotosintéticas
PRODUCTORES• Las plantas superiores son los principales
productores en los ecosistemas terrestres mientras que el fitoplancton lo es en el ecosistema marino.
• El fitoplancton está formado por un conjunto de algas microscópicas y cianobacterias que viven flotando en la zona
fótica marina.
PRODUCTORESLa materia orgánica sintetizada por los
productores tiene dos destinos:
RESPIRACIÓN Azúcar + O2 CO2+ H20
2.- CONSUMIDORESOrganismos heterótrofos que toman materia
orgánica ya sintetizada como alimento para llevar a cabo sus funciones vitales mediante mecanismos respiratorios. Existen distintos tipos:
• CONSUMIDORES PRIMARIOS O HERBÍVOROS
• CONSUMIDORES SECUNDARIOS O CARNÍVOROS
• CONSUMIDORES TERCIARIOS
Los consumidores primarios son los HERBÍVOROS, que se alimentan directamente de los productores y constituyen el 2º nivel trófico.
Los consumidores secundarios son los CARNÍVOROS, que se alimentan de los herbívoros, y constituyen el tercer nivel trófico.
Los consumidores terciarios son los CARNÍVOROS FINALES O SUPERDEPREDADORES, que se alimentan de los carnívoros secundarios, y constituyen el cuarto nivel trófico.
3.- DESCOMPONEDORES
• Son un tipo especial de organismos detritívoros ( grupos de hongos y bacterias) que transforman la materia orgánica en inorgánica(sales minerales) dejándola disponible de nuevo para los productores.
• Cumplen una función esencial en los ecosistemas: cerrar el ciclo de la materia
• La transformación ocurre tanto por vía aerobia como anaerobia (respiración o fermentación)
Un repaso……
• ¿Qué significa ecología?• ¿Cuál sería el biotopo y la biocenosis del mar?• ¿Cuál es el rol de un productor?• ¿Qué ejemplo de consumidor primario y
secundario puede dar?
CADENAS Y TRAMAS TRÓFICASLas relaciones tróficas son complejas en la realidad,
por eso se reflejan mejor en redes tróficas: de cada nivel surgen ramificaciones, pues una misma especie puede servir de alimento a organismos de varios niveles tróficos o viceversa. P. ej. Omnívoros, saprófitos y necrófagos.
Cadenas tróficasCalor Calor Calor
Productores Consumidor primario (herbívoro)Consumidor secundario (carnívoro)
TRAMA TRÓFICA
Las tramas tróficas son representaciones de las interacciones tróficas que se dan entre los individuos de una comunidad. Son complejas y amplias
CADENAS Y REDES TRÓFICAS
CADENAS Y REDES TRÓFICAS
Red trófica antártica1. Fitoplancton2.Zooplancton3.Petrel4.Pingüino Adelia5.Eskúa6.Calamar7.Pez8.Pingüino emperador9.Foca de Weddell10.Foca de Ross11.Pez12.Foca cangrejera13.Ballena azul14.Leopardo marino15.Orca
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Flujo de materia y energía en los ecosistemas
Los ecosistemas siguen el principio de SOSTENIBILIDAD NATURAL:
• Reciclar al máximo la materia de forma que se obtengan nutrientes que no escapen y desechos biodegradables (utilizables)
• Usar una energía renovable como fuente: la luz solar
Flujo de energía en los ecosistemas
La cantidad de energía que pasa de un nivel trófico al siguiente va disminuyendo, pues en cada eslabón parte de la energía entrante se gasta en el mantenimiento de las funciones vitales y se pierde en forma de calor. Solo pasa al siguiente la acumulada en forma de materia orgánica en los tejidos vivos mediante las relaciones tróficas.
Flujo de energía en los ecosistemas
Regla del 10%: “La energía que pasa de un eslabón a otro de la cadena trófica es aproximadamente el 10% de la acumulada en él”
Aunque en los últimos eslabones aumenta el valor, el nº de eslabones de la cadena es por tanto limitado, como mucho cinco. La entrada de energía solar ha de ser constante para que el ecosistema funcione.
Flujo de la materia en los ecosistemas
La materia sigue un flujo cíclico donde materia inorgánica se transforma en orgánica, y finalmente ésta de nuevo en inorgánica gracias a los organismos descomponedores. El papel de estos hongos y bacterias es fundamental, pues cierran el ciclo de la materia. Hacen a la materia orgánica biodegradable
Flujo de la materia en los ecosistemas
El ciclo de la materia es cerrado, aunque con algunas excepciones:
• Escape de ciertos nutrientes gaseosos a la atmósfera• Restos orgánicos que escapan del reciclaje de los
descomponedores, quedan enterrados y sufren fermentaciones anaerobias durante millones de años hasta transformarse en combustibles fósiles, almacenados en la litosfera.
PARÁMETROS TRÓFICOS
Medidas usadas para valorar la rentabilidad de cada nivel trófico así como del ecosistema complejo. Algunos son:
• BIOMASA (B)• PRODUCCIÓN(P)• PRODUCTIVIDAD O TASA DE RENOVACIÓN (p)• TIEMPO DE RENOVACIÓN (tr)• EFICIENCIA ECOLÓGICA (ef)
BIOMASA
“Cantidad en peso de materia orgánica viva o muerta (necromasa) de cualquier nivel trófico del ecosistema.”
“Manera en que la biosfera almacena la energía solar”
Unidades de medida:• De masa (kg, g, mg,…)• Masa /superficie: g/cm2, t/ha, kg/m2, etc (+frecuente)• Masa/volumen: Kg/m3, g/l, …(ecosistemas acuáticos)• En unidades de energía (1g de materia orgánica= 4 o 5 Kcal)
PRODUCCIÓN
“Cantidad de energía que fluye por cada nivel trófico”
Unidades de medida: g/m2.día, kcal/ha.año, J , vatios o J/s,…etc
Tipos:
Producción primaria (fijada por los productores)
Producción secundaria (fijada por los demás niveles)
Producción bruta (Pb): Cantidad de energía fijada por unidad de tiempo.
Producción neta (Pn): Cantidad de energía acumulada por unidad de tiempo
PRODUCCIÓN
PRODUCTIVIDAD
Es la relación entre la cantidad de energía almacenada por unidad de tiempo y la biomasa total. Representa la velocidad con la que se renueva la biomasa del ecosistema, por eso se llama también tasa de renovación.
Se calcula:
p= Pn/B
Pn= producción neta
B=biomasa
Suele expresarse en %
TIEMPO DE RENOVACIÓN
Periodo de tiempo que tarda en renovarse un nivel trófico o un sistema. Es la relación inversa a la tasa de renovación.
Se calcula : tr= B/Pn
Se expresa en unidades de tiempo
EFICIENCIA ECOLÓGICA
Indica el rendimiento energético de un nivel trófico o del ecosistema
Es la cantidad de biomasa o de energía transferida de un nivel trófico al siguiente. Se calcula mediante el cociente Salidas/entradas.
Desde el punto de vista energético es:
Pn/Pn nivel anterior x 100
Alimentarse del primer nivel supone un aumento en la eficiencia en la producción de alimentos: más energía, mayor nº de individuos puede mantener .
La eficiencia de la explotación de recursos naturales debe tener en cuenta los costes ocultos o insumos
PIRÁMIDES TRÓFICAS
Las pirámides tróficas o ecológicas son representaciones gráficas de las relaciones
tróficas entre la comunidad de un ecosistema.
PIRÁMIDES TRÓFICAS
La pirámide se divide en escalones de altura constante y longitud variable que corresponde a cada nivel trófico. La longitud de cada escalón es proporcional al parámetro medido.
PIRÁMIDES TRÓFICAS
Existen tres tipos de pirámides ecológicas:
• De energía• De biomasa • De números
Los Descomponedores no suelen salir en las pirámides tróficas pues son organismos muy difíciles de observar, contar y cuantificar, y con ciclo reproductor muy rápido.
PIRÁMIDES DE ENERGÍARepresentan el contenido
energético de cada nivel. Siempre tiene forma de verdadera pirámide, pues sigue la regla del 10%
Unidades: KJ/m2 Kcal/m2.año
etc
PIRÁMIDES DE ENERGÍA
PIRÁMIDES DE ENERGÍA
PIRÁMIDES DE ENERGÍA
PIRÁMIDES DE BIOMASA
Se elaboran en función de la biomasa acumulada en cada nivel. Suele tener forma de pirámide normal , pero también pueden darse pirámides invertidas.
PIRÁMIDES DE BIOMASA
En los ecosistemas terrestres la diferencia entre los dos primeros escalones suele ser muy grande
La pirámide invertida presenta un escalón superior mayor que el inferior
PIRÁMIDES DE BIOMASA
PIRÁMIDES DE NÚMEROS
Se elaboran mediante el recuento del nº total de individuos de cada nivel. Su forma invertida puede inducir a error al dar excesiva importancia a los organismos pequeños. No son útiles para comparar ecosistemas.
FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA
Ley del mínimo: “Cualquier proceso que depende de varios factores está controlado por el factor que más se aproxima al valor para el cual dicho proceso se detiene”
La producción primaria se basa en la fotosíntesis. Los factores que limiten la fotosíntesis serán los que limiten el crecimiento del vegetal y por tanto la producción primaria.
FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA
El factor que se encuentre en la cantidad mínima a la necesaria será el factor limitante. Los principales factores limitantes de la producción primaria son :
• Humedad• Temperatura• Escasez de sales
minerales• Ausencia de luz
TEMPERATURA Y HUMEDAD
Son factores limitantes en los ecosistemas continentales
En general al aumentar Tª y humedad aumenta la eficiencia fotosintética, pero existen limitaciones:
•Incremento brusco de la Tª = Disminución brusca de la P.primaria= Desnaturalización de las enzimas fotosintéticas
•Altas temperaturas no extremas (clima cálido, tropical o desértico) también provocan descensos de la P.primaria = Incremento de la fotorrespiración
RuBisCO (Ribulosa 1,5 bifosfato carboxilasa-oxigenasa) es la enzima que cataliza la fijación del CO2 en la primera reacción de la fase oscura de la fotosíntesis (Ciclo de Calvin). Esta función carboxilasa lleva a la producción de materia orgánica. Pero también puede catalizar la unión de oxígeno, en una vía alternativa que no conduce ni a la fabricación de materia orgánica ni de energía: la fotorrespiración.
RuBisCO en su función carboxilasa
RuBisCO en su función carboxilasa (arriba) y oxigenasa (abajo)
La fotorrespiración supone una disminución en la eficiencia fotosintética y una bajada en la producción primaria de un 30 a un 50%. El que RuBisCO elija uno u otro camino depende de la concentración de O2 y CO2 que haya en el interior de la célula fotosintética:
• Si la concentración es similar a la atmosférica, la “normal”(21% de oxígeno, 0.003% de CO2, la enzima sigue la vía fotosintética
Si la concentración de O2 es superior al 21% y/o la de CO2 desciende por debajo de 0.003% se induce el camino anormal de la fotorrespiración.
Las plantas toman el CO2 y liberan el O2 a través de los estomas de las hojas. En condiciones de altas Tª pierden mucho vapor de agua y deben cerrarlos, de modo que las concentraciones normales de los gases se alteran y la fotorrespiración se dispara, disminuyendo notablemente la eficiencia fotosintética.
Las plantas C4 (maíz, sorgo, mijo….)presentan una adaptación para evitar el problema de la fotorrespiración : una vía alternativa de fijación del CO2 con otro enzima (PEPcarboxilasa), que une el gas al PEP que pasa a la célula fotosintética donde continua el proceso fotosintético. Son plantas muy interesantes desde el punto de vista de la agricultura (Pmáxima = 60-80t/ha.año, frente a las C3 10-30 t/ ha.año)
Las plantas de los desiertos, cactus o crasuláceas, además de ser C4 presentan un ciclo metabólico en el que fijan el CO2 por la noche, y cierran los estomas por el día (CAM o metabolismo ácido de las crasuláceas). Además presentan adaptaciones morfológicas para evitar la pérdida de agua: hojas reducidas, tallos carnosos,…
TEMPERATURA Y HUMEDAD
Si las temperaturas son muy bajas durante una época del año, las adaptaciones más frecuentes consisten en:
• Ciclos biológicos anuales• Desarrollo de estructuras
hibernantes (bulbos, tubérculos, rizomas)
• Alternancia de periodos de máximo desarrollo de hojas y flores con épocas de mínima actividad metabólica o periodo latente
NUTRIENTES
La presencia de éstos está supeditada a sus ciclos de reciclado, y por tanto a energías externas.
• CO2: muy abundante en atmósfera y disuelto en agua
• Nitratos: Muy abundante en la atmósfera; los organismos fijadores de N2 aseguran la presencia de sus sales en suelo y agua
• Fósforo: Las sales de fósforo suelen ser el principal factor limitante pues a pesar de su abundancia la mayor parte está inmovilizada en la litosfera
NUTRIENTES
• Gran distancia entre productores y descomponedores.
• Alto gasto de energía exosomática:
• Zonas de afloramiento y plataformas continentales
Ecosistemas marinos
• Distancia mínima entre productores y descomponedores
• Bajo gasto de energía exosomática en el reciclaje
Ecosistemas terrestres
LUZ: DISPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE LOS FOTOSISTEMAS
Al aumentar la luminosidad incidente, en ausencia de otro factor limitante, la actividad fotosintética también aumenta, pero pronto se satura.
La disposición de las unidades fotosintéticas en los cloroplastos hacen que se den sombra unas a otras respecto a la luz incidente; idem con las hojas de una planta.
La estructura de las unidades o fotosistemas, que contienen no solo clorofila (molécula responsable de la transformación de la energía luminosa en química) sino otros pigmentos fotosintéticos en proporción 300/1.
LUZ: DISPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE LOS FOTOSISTEMAS
A partir de una determinada intensidad luminosa los fotosistemas se saturan pues la clorofila o centro de reacción actua como cuello de botella.
LUZ: DISPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE LOS FOTOSISTEMAS
La naturaleza ha diseñado la conversión de la energía luminosa en química para que haya el mínimo indispensable para mantener los ecosistemas, no más.
El uso de plaguicidas, abonos, más agua, etc, en los cultivos no aumentará la producción primaria más allá de su máximo natural. Pueden mantenerse condiciones óptimas en invernaderos.
