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CAPITULO Conceptos ecológicos y de sistemas OBJETIVOS Al finalizar este capítulo, el lector podrá definir los siguientes elementos: Ecología, ecología humana, energía, ciclo, población, comunidad, ecosistema y biosfera. • identificar las metas de la ciencia. • explicar el papel de los modeles en la ciencia. • explicar los diferentes puntos de vista, o perspectivas, en la ciencia. • definir sistema, sistema abierto y sistema cibernético. • explicar qué se entiende por: punto de partida, retroalimentación negativa, plano homeostitico y retroalimentación positiva. • explicar las relaciones existentes entre los supersistemas, los sistemas y los subsistemas. • explicar en qué aspectos todos los sistemas biológicos son abiertos y cibernéticos. • describir un ecosistema en términos sistemáticos informales. Si ha logrado estos objetivos y piensa que puede omitir total o parcialmente este capíulo. pase a la página 26 y resuelva la autocvaluación. Los resultados le permi- tirán evaluar sus conocimientos con respecto al contenido de este capítulo. Si todas las respuestas son correctas, podrá iniciar el capítulo siguiente. Si algunas respuestas, están equivocadas deberá estudiar los cuadros que se indican después de la autocvaluación. Si el material es nuevo para Ud. o si decide no realizar la auto- evaluación, principe con el cuadro 1. 1. Ecología es la ciencia que estudie las interacciones de los organismos vivos y su ambiente. Los organismos vivos no existen en forma aislada. Los organismos actúan entre sí y sobre los componentes químicos y físicos del ambiente inanimado. Se denomina ecosistema a la unidad básica de interacción organismo-ambiente que resulta de las complejas relaciones existentes entre los elementos vivos e inanimados de un área dada. El concepto de ecosistema tiene importancia capital en la ciencia de la ecología. De hecho, la ecología se ha definido como el estudio de los ecosistemas. A pesar de las ideas ecológicas que aparecen en los escritos de los antiguos filósofos griegos, fue hasta principios de este siglo que la ecología se consideró una ciencia por derecho propio. Se aceptó como una rama de las ciencias biológicas debido a que se desarrolló dentro de la historia natural. A menudo se le denomina biología ambiental. 25

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Fundamentos de Ecologia

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  • CAPITULO

    Conceptos ecolgicos y de sistemas

    OBJETIVOS

    Al finalizar este captulo, el lector podr definir los siguientes elementos: Ecologa, ecologa humana, energa, ciclo, poblacin, comunidad, ecosistema y biosfera.

    identificar las metas de la ciencia. explicar el papel de los modeles en la ciencia. explicar los diferentes puntos de vista, o perspectivas, en la ciencia. definir sistema, sistema abierto y sistema ciberntico. explicar qu se entiende por: punto de partida, retroalimentacin negativa,

    plano homeostitico y retroalimentacin positiva. explicar las relaciones existentes entre los supersistemas, los sistemas y los

    subsistemas. explicar en qu aspectos todos los sistemas biolgicos son abiertos y

    cibernticos. describir un ecosistema en trminos sistemticos informales.

    Si ha logrado estos objetivos y piensa que puede omitir total o parcialmente este capulo. pase a la pgina 26 y resuelva la autocvaluacin. Los resultados le permitirn evaluar sus conocimientos con respecto al contenido de este captulo. Si todas las respuestas son correctas, podr iniciar el captulo siguiente. Si algunas respuestas, estn equivocadas deber estudiar los cuadros que se indican despus de la autocvaluacin. Si el material es nuevo para Ud. o si decide no realizar la auto- evaluacin, principe con el cuadro 1.1. Ecologa es la ciencia que estudie las interacciones de los organismos vivos y su

    ambiente.Los organismos vivos no existen en forma aislada. Los organismos actan entre s

    y sobre los componentes qumicos y fsicos del ambiente inanimado. Se denomina ecosistema a la unidad bsica de interaccin organismo-ambiente que resulta de las complejas relaciones existentes entre los elementos vivos e inanimados de un rea dada. El concepto de ecosistema tiene importancia capital en la ciencia de la ecologa. De hecho, la ecologa se ha definido como el estudio de los ecosistemas.

    A pesar de las ideas ecolgicas que aparecen en los escritos de los antiguos filsofos griegos, fue hasta principios de este siglo que la ecologa se consider una ciencia por derecho propio. Se acept como una rama de las ciencias biolgicas debido a que se desarroll dentro de la historia natural. A menudo se le denomina biologa ambiental.

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    GPPNotaMARCADO EN AMARILLO ES LA PARTE PARA RESUMIR Y ANOTAR EN FICHAS BIBLIOGRAFICAS DE APOYO

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  • 26 Naturaleza de los ecosistemas

    La ecologa humana es el estudio de los ecosistemas desde el pumo de vista de la forma en que afectan a los seres humanos y en la que resultan afectados por ellos. La ecologa hum ana incluye conocimientos de muchas ramas del saber: aspectos qumicos, econmicos, polticos, sociales, ticos, y tambin estrictamente biolgicos.

    A medida que las interacciones del hombre con el ambiente se hacen ms drsticas, mayor nmero de personas se preocupan de la ecologa humana (estudios ambientales). En la actualidad, un comit que trabaje sobre un problema particular de ecologa humana, est formado por fsicos, analistas de sistemas, urbanistas, bilogos, qumicos, economistas, historiadores, polticos, ejecutivos, lderes sindicales y cientficos de la conducta. Cada uno contribuye con sus conocimientos especficos para resolver el problema.

    a) Defina ecologa.-------------------------------------------------------------------------------------

    b) Defina ecologa humana

    a) Ciencia que estudia las interacciones de los organismos vivos y su ambiente (o bien, la ciencia que estudia los ecosistemas); b) Estudio de los ecosistemas en cuanto a la forma en que influyen en los seres humanos y reciben la influencifi de stos.

    2. Ciencia cuya actividad bsica es la de elaborar predicciones acerca del futuro. Los cientficos desarrollan modelos para hacer dichas predicciones. Desarrollan

    Figura 1.1 Modelo idealizado.

    tcnicas para la obtencin y organizacin de la informacin. En un momento dado, se acumula informacin suficiente para poder descubrir las relaciones que existen entre los diferentes aspectos de ella.Los modelos se desarrollan para explicar las relaciones que pueden existir enrre

    los diferentes aspectos de la informacin. Una buena teora, o modelo, integra, en forma consistente y ordenada varias referencias separada: (hechos). En la figura 1.1 se muestra un modelo idealizado.

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  • Conceptos ecolgicos y de sistemas 27

    Cmo puede utilizar un cientfico este modelo?. Supongamos que tiene establecida una colonia bacteriana que aumenta rpidamente. Primero. deber determinar la etapa en que se encuentre el proceso. Supongamos que el estado de la colonia corresponde al punto B. Utilizando el modelo, el cientfico podr predecir que en cierto momento del futuro existir el estado C. (Asimismo, podr aseverar, que el estado B se ha previsto por el estado A).

    Aun cuando los modelos imitan al mundo real, nunca coinciden exactamente con la realidad. Siempre quedan fuera algunos elementos. De otra manera, los modelos no seran esto, sino la realidad, cuando, de hecho, siempre la estn simplificando. Un buen modelo utiliza los elementos clave que pueden variar en una situacin particular (variables). y que son necesarios para hacer predicciones precisas. En sus formas ms simples, los modelos son generalmente verbales o grficos. Los modelos ms elaborados se basan en frmulas matemticas o estadsticas.

    Algunas situaciones parecen muy complejas. Aun cuando intervengan algunas variables importantes, puede construirse un modelo muy sencillo que, a pesar de serlo, permita observar con gran claridad la complejidad del problema. Por ejemplo, antes de Darwin. el origen de los animales y de las plantas pareca en extremo complejo. Pero con el modelo de seleccin natural de Darwin, el origen de los animales y plantas result, comparativamente simple, natural y lgico.

    Cuanto ms se acerquen los modelos de los cientficos a la realidad, mayor precisin tendrn sus predicciones. Los centficos revisan y perfeccionan constantemente sus modelos tratando de lograr una mayor aproximacin entre stos (teora) y la realidad (juzgada por la precisin de las predicciones que genera el modelo). Si las predicciones se refieren a asuntos que deseamos conocer, y si tales predicciones resultan ms precisas y simples que las de cualquier otro modelo (y van ms all de lo probable), entonces, el modelo se emplea y representa el statu quo del conocimiento en esa rea particular de la ciencia.

    Los eclogos tratan de organizar el conocimiento humano acerca de las interacciones que se presentan en la naturaleza. Construyen modelos de estas interacciones, de manera que puedan predecir qu suceder en el futuro. Los seres vivientes interactan con sus ambientes en diversas formas complejas. La ecologa es una ciencia relativamente nueva y no resulta sorprendente que existan diversos puntos en los que los eclogos no puedan hacer predicciones precisas. Sin embargo, en los ltimos 50 aos, han desarrollado un buen nmero de modelos conceptuales tiles.

    Por qu los cientficos se preocupan por construir modelos? -------------------------------

    Los modelos simplifican la realidad determinando, minuciosamente, las variables que parecen ser claves en una situacin dada. Esto permite a los cientficos hacer predicciones sobre el fu:uro, lo cual constituye la meta de la ciencia.

    3. Cuando los componentes biticos (los organismos vivos) y los componentes abiticos (las cosas inanimadas) actan entre s. en forma regular y consistente, se consideran sistemas. Los eclogos tratan especialmente los sistemas poblacio- nales, comunidades y los ecosistemas.El doctor Eugene P. Odum ha sugerido se consideren las reas de estudio

    biolgico como espectros constituidos por diferentes niveles de organizacin, cada

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  • 28 Naturaleza de los ecosistemas

    uno de lo< cuales representa un tipo de sistema biolgico. Dicho autor utiliza el diagrama de la figura 1.2.

    Componentesau* f:os C en Clulas Organos Organismos Poblaciones Comunidades

    Intwetuandocon

    Componentesa i ticcs

    PlOduCM

    t*___ ti ti ti t i __ \_M te -3 Energa

    i i i i rS istenw Sistemas Sistemas Sistemas Sistemas Sistemas de Ecoas-tiwipcos fefi*cos celulares ogtnicos orgamvnioss poblacin temas

    Figura 1.2 Espectro de los niveles de organizacin de Odum (segn Odum. 1971).

    Note que cada nivel de organizacin (de izquierda a derecha) incluye un componente bitico que intcractu con un componente abltico, a travs de un intercambio de materia y de energa. Cada uno de los niveles que interactan produce un sistema biolgico funcional. Por ejemplo, el lector mismo es un organismo biolgico, por lo cual, emplea la energa y las sustancias de su ambiente externo para mantener un sistema al nivel orgnico de organizacin. Cambia los alimentos que ingiere y el aire que aspira, por los desperdicios que elimina en el aire que exhala. Adems, su sistema corporal incluye varios subsistemas menores. Est constituido por rganos los cuales, a su vez. estn compuestos de clulas y de material gentico. En cada caso, el sistema persiste debido a las interacciones con los componentes abiticos del ambiente fsico (intercambios de materia y de energa).

    A simple vista, parecera que los componentes pequeos y simples se presentan a la izquierda, mientras que los grtndes y complejos aparecen a la derecha. Tal observacin es simplista. Cada uno de los componentes biticos representa un nivel de organizacin con sus complejidades propias y sus ' leyes" propias. Los problemas de la estructura y funcin celular son tan complejas como los problemas de las comunidades. Conocer un nivel no necesariamente ayuda al cientfico a resolver los problemas principales de otro nivel, ya sea hacia la derecha o hacia la izquierda del espectro. El conocimiento de un nivel puede ayudar a comprender otro, pero cada uno de ellos, es un sistema diferente can complejidades e interacciones que no pueden predecirse por las caractersticas conocidas de otro nivel.

    Consideremos el agua (H2O). Posee propiedades exclusivas que no se encuentran ni en el hidrgeno (H). ni en el oxgeno (O). Aun conociendo todo lo relacionado con el hidrgeno y con el oxgeno, en estado libre, no se cuenta con la capacidad necesaria para predecir que su combinacin determinar las propiedades del agua. Lo mismo sucede a la inversa: es imposible pensar intuitivamente, que el agua, un lquido, se degrada en dos gases altamente inflamables.

    Los eclogos tratan principalmente el lado derecho del espectro de organizacin (especialmente, las poblaciones, las comunidades y los ecosistemas). Antes de continuar, es conveniente definir cada uno de estos trminos importantes:

    Poblacin Grupo de organismos, del mismo tipo (especie), que viven en un rea especfica. Se puede hablar de la poblacin de bagres que viven en un estanque, de la poblacin de pjaros en el Parque Central de Nueva York o de la poblacin de ratones en un granero.

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  • Conceptos ecolgicos y de sistemas 29

    Comunidad: Todo poblocir. de organismos que existen c interactan en un rea determinada. La comunidad incluye a todos los componentes vivos (biticos) de un rea. Por ejemplo, una comunidad desrtica incluye todas las plantas, animales y microbios que viven en un rea desrtica especfica.

    Ecosistema: La comunidad, en la relacin con el ambiente inanimado que actan como un conjunto. Al componente bitico se ha aadido el componente abitico del ambiente externo, lo cual produce un sistema relativamente autoestable. Cuando se considera una comunidad desrtica ms su suelo, clima, temperatura, agua, sus ciclos minerales y la luz solar, se tratar de un ecosistema desrtico.

    Cuando se considera a todos los organismos vivientes, sobre o alrededor del planeta, se tratar de la biosfera.al En qu niveles del espectro de organizacin" de Odurn estn interesados

    principalmente los ec lo g o s? ------------------------------------------------------------------

    bI Un ecosistema s una comunidad que est interactuando con

    a) Poblaciones, comunidades y ecosistemas; b) los componentes abiticos (el ambiente inanimado).

    4. Los niveles de organizacin de los eclogos pueden contener dentro de si. varios puntos de vista, o perspectivas. Se emplea el trmino "punto de vista" para acentuar el hecho de que el sistema m ism ola interaccin de los componen tes bitico v abitico que se produce en la realidad permanece sin variacin. Sin embargo, con el propsito de construir el modelo, resulta til, a veces, observar un sistema particular desde diferentes ngulos. Cada punto de vista permite elaborar un modelo diferente y hacer distintas predicciones, pero debe recordarse que ningn punto de vista tiene mayor validez que otro. Cada uno tiene mayor o menor utilidad, segn sea el tipo de predicciones que se desee realizar. Probablemente uno de los mejores ejemplos acerca de los distintos puntos de

    vista provenga de la fsica moderna y en especial, del estudio de la luz. En ciertas ocasiones, los fsicos se refieren a la luz como si se tratase de un fenmeno ondulatorio, que se transmite en el espacio como las ondas en la superficie de un estanque. En otras, los fsicos sostienen que la luz se compone de partculas minsculas que se liberan de un objeto que emite luz. Ambos puntos de vista permiten construir modelos que expliquen ciertas caractersticas de la luz y que predicen su comportamiento futuro. Cada uno de ellos es til asimismo para ilustrar ciertas propiedades de la luz que otros no pueden explicar. Ambos, por lo tanto, se consideran vlidos, ya que de cada uno pueden obtenerse diferentes e importantes predicciones. En este libro estudiaremos la ecologa, en forma sucesiva, desde cuatro puntos de vista principales:

    Punto de vista energtico: Cuando se organiza la informacin referente a las interrelaciones de los factores biticos y abiticos con base en el flujo energtico, se considera a los ecosistemas desde el punto de vista de la energa. Esta se define como la capacidad para producir trabajo. La energa es el origen de toda actividad. La energa transforma a la materia, y la vida misma existe slo porque obtiene y pierde energa. La energa atraviesa los ecosistemas y durante este proceso produce cierto orden. Cuanto mayor sea la complejidad organizativa de un organismo, poblacin o ecosistema, mayor ser la cantidad de energa necesaria para mantener al sistema.

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  • 30 Naturaleza de los ecosistemas

    P yptn de vfrta clcticn Citru forma de observar las interacciones de los ecosistemas consiste en hacerb desde el punto de vista cclico. Si se emplea el trmino ciclo en su sentido ms general, se puede considerar una clase integra de fenmenos, simplemente como una secuencia de eventos regularmente recurrentes. Algunos ciclos (del tipo de los astronmicos, atmosfricos y geolgicos) no incluyen necesariamente a los organismos vivos. Sin embargo, la mayora incluye no slo los componentes abiticos sino tambin los biticos. Estos ciclos se denominan ciclos biogeoqumicos. Los ciclos biogeoqumicos incluyen el ciclo del oxgeno, del carbono, del nitrgeno, del fsforo y los ciclos de diversos minerales.

    P u m a vista pnhlnrin^^- La poblacin es uno de los agrupamientos fundamentales en ecologa. Como se ha mencionado anteriormente, las poblaciones se componen de todos les miembros de un mismo tipo de organismo (especie) que viven en un rea determinada. Adems de las caractersticas de los organismos individuales, las poblaciones tienen las suyas propias. Un organismo individual puede nacer y morir, pero solamente las poblaciones poseen ndices de natalidad y mortalidad. Una poblacin se expande a travs del tiempo y tiene su propia natalidad, sus tiempos de expansin y de contraccin, y puede quizs morir (extincin).

    Punto de vista de comunidades o ecosistemas: Cuando se estudian las interacciones de todas las poblaciones (y. por lo tanto, de todos los organismos) en un rea dada, se est observando el nivel de organizacin de la comunidad. As como las poblaciones poseen caractersticas independientes de los organismos individuales que la constituyen, las comunidades tienen propiedades separadas de cualesquiera de sus poblaciones. Mediante un proceso que se denomina sucesin, las comunidades evolucionan desde interacciones simples hasta otras ms complejas (maduras). En las comunidades maduras se mantiene Ln equilibrio general en el flujo energtico y en la productividad (aun cuando algunas poblaciones pueden aum entar y otras disminuir). Una comunidad y sus interacciones abiticas constituye un ecosistema.

    Estos cuatro puntos de vista principales se estudian detalladamente en las cuatro partes siguientes del libro. Sin embargo, primero debemos considerar algunos conceptos bsicos de los sistemas que se emplean en este libro para describir y explicar los puntos de vista.

    a) El punto de vista energtico es el que tiene mayor validez de los cuatro.

    ( verdadero/falso)

    h) Explique su respuesta. -------------------------------

    c) En qu sentido podemos decir que el punto de vista poblacional es diferente ai punto de vista individual y al de com unidad?-----------------------------------------------

  • Conceptos ecolgicos y de sistemas 31

    (a) falso(b) La validez de un punto de vista es relativa. Para algunos propsitos el punto de vista energtico es vlido. Para otros propsitos, no resulta especialmente til. Cada uno de los puntos de vista tiene validez de acuerdo con el tipo de predicciones que se desee realizar.(c) Las poblaciones poseen caractersticas diferentes a las de los organismos individuales, o a una comunidad. Por ejemplo, las poblaciones tienen Indices de natalidad, pero los individuos carecen de ellos. Adems, ninguna poblacin puede realizar sola la sucesin, ya que sta es una propiedad exclusiva de varias poblaciones que actan entre si como una comunidad.

    5. Un sistema es un conjunto de partes, o de eventos, que pueden considerarse __ cnpin algo simple y completo, debido a j a interdependencia e interaccin de dichas partes o eventos. La teora de sistemas es una forma de pensamiento acerca del mundo, un enfoque a la solucin del problema y al desarrollo del modelo, que incluye la consideracin de una serie compleja de eventos, o de elementos, como un todo sencillo.

    Un aeroplano se compone de diversas partes. Entre ella, se encuentran las partes mecnicas en el motor, los controles, asientos y los componentes de la superestructura. Un avin en vuelo incluye tambin el combustible, el piloto y los pasajeros. Aun as, cuando se observa un aeroplano en vuelo se piensa en l como una cosa sencilla y completa: un sistema de transportacin. De la misma manera, una rea ecolgica puede comprender diversas especies de plantas y de animales, en interaccin recproca y con los factores abiticos como los climticos y geogrficos. Se puede pensar acerca de todos estos organismos, facotres abiticos e interacciones como una sola entidad: Un ecosistema.

    Considere ahora, dos tipos bsicos de sistemas:

    Sistemas abiertos: Sistemas que dependen del ambiente exterior para entradas y salidas.

    Sistemas cibernticos: Sistemas que utilizan alguna clase de mecanismo de retroalimentacin para su autorregulacin.

    6. Lp$ sistemas abiertos procesan las entradas y producen salidas. Esto lo realizan en forma ms o menos fija, y la cantidad de salidas producidas se relaciona directamente con la cantidad de entradas aceptadas. Para continuar funcionando, los sistemas abiertos requieren constantemente de nuevas entradas. La forma ms fcil de esquematizar un sistema de este tipo, corresponde al modelo de caja (ver figura 1.3).

    Limada (s) SwWnu SW (s)

    Figura 13 Modelo general de un sistema abierto.

    Una ItajLnegraJ. es un modelo simple de un sistema abierto. Una caja negra toma algo y. mediante manipulaciones desconocidas, lo modifica hasta lograr otra cosa diferente. Para muchos de nosotros, la televisin es una caja negra que tiene entradas de electricidad y de ondas electromagnticas las cuales transforma en imgenes y sonido (ver figura 1.4). La televisin es tambin un sistema abierto porque si se cortan las entradas deja de funcionar (cesa de producir salidas).

  • 32 Naturaleza de los ecosistemas

    EntradasSistema de TV

    ElcctJc>dd Ondas fitctromajnMicas

    Safcda

    Imagen y sonido de TV

    Figura 1.4 Modelo de sistema abierto de televisin.

    Se denominan componentes o tes o piezas de unsistema o de una caja negra. Cuando un c ientfico descubre las relaciones que hay entre los componentes de un sistema, los agrupa. Estos grupos relacionados se denominan subsistemas. ^Cuando slo se conoce un poco un sistema, puede esquematizarse como en la figura 1.5. El sistema XYZ se compone de tres subsistemas. El subsistema Y se divide, a su vez, en dos componentes.

    Figura 14 Sisteme abierto con sus componentes.

    En este texto se emplearn frecuentemente diagramas de sistemas abiertos para ilustrar la forma en que varios componentes se interrelacionan mediante caminos comunes de entrada-salida. Por ejemplo, la figura 1.6 muestra una serie de componentes interrelacionados que pertenecen a un sistema.

    Ertrada Vcfctal Salida-entrada Res Salida-eotrda Hombre SaMaLuz sola Energa qumica en Eeergta qumica en PArdirfi de cilor durarte

    tas hojas ot la planta (acame de lates el trabajo o el ejercicio

    Figurn 1.6 Serie de componentes de un sistema abierto conectado para salida-entrada.

    Un ejemplo de un sistema mecnico abierto corresponde a un calentador controlado por un interruptor (figura 1.7). Cuando se abre el interruptor, la electricidad penetra al sistema del calentador y produce una salida de calor. Continuar aceptando entradas elctricas y produciendo salidas calorficas a una velocidad relativamente constante mientras persista la entrada (es decir, mientras el interruptor est abierto).

    Defina un sistema abierto

  • Conceptos ecolgicos y d e sistemas 33

    Figura 1.7 Sistema calentador corno ejemplo de un sistema abierto.

    Un sistema abierto es un conjunto de partes, o de eventos, que actan como un todo sencillo y que posee entradas del ambiente exterior, las cuales modifica para producir salidas. Para continuar funcionando, los sistemas abiertos necesitan siempre de nuevas entradas.

    Los sistemas cibernticos emplean la retroalimentacin para ejercer un cierto grado de autocontrol La idea bsica de fa retroalimentacin. consiste en que parte de la salida del sistema se utiliza para controlar parte;de a entrada fu tura al sistema. Los sistemas cibernticos poseen generalmente un estado ideal o punto de partida, que consiste en el estado, o punto, en el c u a s apoya "el

    ^sistema-

    Un ejemplo concreto de un sistema ciberntico, es el de un sistema calenta- ior-termostato. cuyo punto de partida corresponde al sitio (temperatura) en que se ' el disco de ajuste. Cuando se rebasa el punto de partida, un mecanismo interno se ctiva con lo que se reduce la entrada al sistema, restringiendo la tendencia a rebasar d punto de partida. Lo mismo suceda, a la inversa, cuando no se alcanza dicho punto.F! mecanismo interno aumenta la entrada del sistema hasta que se llega a l. En la mayora de los termostatos, este mecanismo es un resorte metlico sensible al calor ^ue se expande o se contrae, cuando la temperatura se eleva (o se reduce), lo que da ror resultado que se establezca el contacto, o que se rompa. En cualquier caso, la rptroalimentacin que determina el reajuste del punto de partida se denomina mroalimentacin negativa. La referencia "negativa" se debe a que !;i retroaimen-

    . ictn detiene, o invierte, una tendencia o movimiento de separacin del punto de niela. En este libro se emplea normalmente un diagrama en forma de ocho (figura ~

    i S) para representar cualquier sistema ciberntico simple con retroalimentacin negativa.

    Flgur. L8 Diagrama en forma de ocho.

  • Considere un ejemplo mecnico especfico detalladamente (Ver figura 1.9). El termostato regula la entrada de electricidad al calentador. Una persona produce una entrada al termostato proporcionndole un punto de partida pero despus ste trabaja simplemente para mantener dicho punto de partida. Cuando se eleva la temperatura, un resorte metlico se expande y corta la electricidad, interrumpiendo la conexin elctrica ta la bobina productora de calor. Cuando la temperatura desciende, el metal se contrae y se reestablece la conexin elctrica, lo cual pone en funcionamiento a la bobina que produce calor. La figura 1.10 es un diagrama e forma de ocho del sistema termostato-calentador.

    34 Naturaleza de los ecosistemas

    Figura 1.9 Sistema termostato-calentador como ejemplo de un sistema ciberntico.

    Figura 1.10 Diagrama en forma de ocho de un sistema termostato-calentador.

    a) Defina un sistema ciberntico.

    b) Dibuje, de la maneta ms sencilla posible, un diagrama general de un sistemaciberntico.

  • c) La retroalimentacin que se reduce, y finalmente cesa o invierte una tendencia a

    separarse del punto de partida, se denom ina-----------------------------------------------

    Conceptos ecolgicos y de sistemas 35

    (a) Un sistema ciberntico es un conjunto de panes, e de eventos, que acta como un todo sencillo y que regula sus actividades en forma cercana a un estado ideal o punto de partida. Los sistemas cibernticos utilizan la ret roa! i mentacin para mantener su estado ideal.(b)

    Sfcstttn*

    R e tro a lim e m a c J n

    Figura 1.11

    Un diagrama en forma de ocho puede ser tambin aceptable.(c) Retroalimentacin negativa.

    8. Los sistemas cibernticos tambin pueden contar con retroalimentacin positiva.La~~retroalimentacin positiva es una tendencia continua a aumentar laseparacin del punto de partida del sistema ^

    Como ejemplo de retroalimentacin positiva, considere la temperatura del cuerpo humano. Se mantiene por un termostato muy notable. Cuando las emperaturas externas alcanzan valores entre 17 y 32C, una serie de mecanismos

    -laborados de retroalimentacin negativa mantiene la temperatura del cuerpo cercana a su punto de partida (36.5C>. Cuando la temperatura del cuerpo se eleva, estos mecanismos reducen la produccin de calor y aumentan sus perdidas (mediante exudacin y radiacin). A medida que la temperatura del cuerpo disminuye, ste -esponde aumentando la produccin de calor y disminuyendo su prdida (la exudacin y la circulacin superficial disminuyen y pueden presentarse escalofros). Sin embargo, a temperaturas extremas estos elementos del sistema ciberntico de regulacin corporal trmica pueden ser insuficientes. A temperaturas ms elevadas, el eu*>rpn resulta incapaz de perder calor a velocidad suficiente y entonces aparece la retroalimentacin positiva. Los procesos metablicos corporales se desarrollan ms rpidamente lo cual eleva an ms la temperatura. A su vez, esto acelera la velocidad metablica que nuevamente, hace -aumentar la temperatura del cuerpo. Este ciclo vicioso determina finalmente la muerte. Los mecanismos de retroalimentacin negativa normales tambin fallan a temperaturas extremadamente bajas, dando lugar a la retroalimentacin positiva: a menor temperatura del cuerpo, reduccin de la velocidad del metabolismo y posteriormente, la muerte. Es fcil comprender, por qu a la retroalimentacin positiva se le denomina algunas veces retroalimentacin fugitiva.

    La figura L12 representa un diagrama del sistema ciberntico de regulacin del calor del cuerpo humano. Se ilustran tanto el proceso de retroalimentacin negativo como el positivo.

  • 36 Naturaleza de ios ecosistemas

    Figura 1.12 Diagrama ciberntico del sistema de regulacin trmica del cuerpohumano,

    Por qu se presenta la retroalimentacin negativa en ciertos casos y la positiva .en otros? Una respuesta es que un sistema ciberntico posee una placa homeostrica.

    . es decir, que el sistema tiene ciertos lmites dentro de los cuales se presenta la ^ retroalimentacin negativa. Ms all de dicha placa (fuera de los mites sealados)

    cuando la separacinITesde el punto de partida se hace demasiado grande aparece la retroalimentacin positiva. La figura 1.13 ilustra dichos lmites, y la placa homeosttica para la regulacin de la temperatura en los mamferos.

    La reproduccin y las tarifas de intereses bancarios son dos ejemplos comunes de retroalimentacin positiva. En ambos casos, los productos (nios o dinero) dan lugar a ms productos, hasta el infinito. Tambin en ambos casos, suponiendo que se llega hasta esos extrem >s, puede ocurrir un desastre (acabarse el espacio total o el dinero disponible en el i undo).

    a) Defina la retroalimentacin positiva --------------------------------------------------------

    b) Explique el concepto de un plano homeosttico

    (a) La retroalimentacin positiva es una tendencia continua a aumentar la separacin del punto de partida del sistema.

  • Mwrle

    Conceptos ecolgicos de los sistemas 37

    Dewiactn del punto de partida

    Figura 1.13 Regulacin de temperatura en los mamferos y la placa homeosttica.

    b) El plano homeosttico define una rea (los lmites dentro de los que, el sistema puede utilizar la retroalimentacin negativa para autorregularse en relacin con su punto de partida). Si una tendencia a alejarse del punto de partida excede los lmites del plano homeosttico. se presenta la retroalimentacin positiva, lo cual impulsa al sistema a un nuevo alejamiento de su punto de partida, que ocasionalmente puede determinar la "muerte del sistema.

    < Como regla general, puede decirse que cualquier sistema se compone de sistemas - ms pequeos subsistemas y que l mismo, forma parte de algn sistema mayor un su per sistema. Si se selecciona para su estudio un subsistema particular O de un sistema k , se hace referencia de Q como un sistema por derecho propio y se aplican los conceptos de sistemas al analizarlo. Por ejemplo, se observar si posee un punto de prtida, se estudiarn sus entrada y salidas y se examinarn sus tendencias a la retroalimentacin negativa y positiva.

    Generalmente, cuando se pregunta cmo funciona algo, estamos pidiendo -nlm ente una descripcin de los subsistemas del sistema. De esta manera, cuando el jsema circulatorio se describe en parte, cmo obtiene energa el hombre. Se explica o*no ocurre la circulacin cuando se examina el corazn, los vasos sanguneos, etc.

    >e hace referencia a cmo funciona el corazn cuando se definen sus partes y sus iteracciones.

    Cuando se pregunta per qu, funciona algo se estn solicitando datos acerca del .-^persistema al cual pertenece un sistema particular. De esta manera, se explica por ju un calentador se ha fabricado en cierta forma, diciendo que se dise para realizar una funcin particular en una mquina de vapor. Se define por qu se construye una mquina de vapor, al referirse al ferrocarril del cual forma parte dicha mquina. Y, si se indica por qu un ferrocarril sigue un curso determinado, se habla de un sistema de lincas particulares, ciudades e itinerarios.

  • 38 Naturaleza de los ecosistemas

    Todo esto puede resumirse, diciendo que un sistema nunca permanece aislado. Un sistema es un nivei de exp I i c a c i n. C u mocambT el objeo^de HfBSB* sistem a puede convertirse en un subsistema dentro de una rea de estudio ms amplia, O bien se puede ir desde un primer sistema hasta uno de sus componentes y estudiar sus partes e interacciones. La complejidad de la ecologa y la concepcin de los sistemas radica en la interrelacin de los diferentes componentes y conceptos.

    Figura 1.14

    Examine la figura 1.14.

    a) Si A es un sistema. B y C son---------------------------------------------------------------------

    b) Si B es un sistema, entonces C (pero no A) es u n --------------------------------------------

    c) Si B es un sistema, entonces A es un-----------------------------------------------------------

    d) Si se le preguntase cmo trabaja B, lo explicara probablemente en trminos de

    e) Si se le preguntase por qu existe B, lo explicara probablemente, en trminos de

    f ) Permanece aislado un sistema, es decir, fuera del contexto de cualquier otro

    sistem a?----------------------------------------------------------------------------------------------

    (a) subsistemas (componentes, elementos); (b) subsistemas (componente, elemento); (c) supersistema: (

  • Conceptos ecolgicos y de sistemas 39

    Revise brevemente el espectro de niveles de organizacin de Odum, figura 1.2. Cada uno de los sistemas biolgicos identificados constituye un sistema abierto. Todos ellos toman energa y la liberan. Odum separ a los genes, clulas, rganos, organismos, poblaciones y comunidades en seis niveles o sistemas aislados. Cada uno de estos niveles a sistemas abiertos, contiene sistemas cibernticos importantes. Cuando se dice que ciertos sistemas de poblacin presentan caractersticas diferentes a las halladas en los sistemas orgnicos, se hace referencia a que existen sistemas cibernticos que operan al nivel de las poblaciones, y que no resultan aparentes cuando se examinan los organismos por s mismos.

    De esta manera, una clula (sistema) es un sistema abierto debido a que obtiene constantemente alimentos del exterior, y elimina desperdicios. Tambin contiene sistemas cibernticos. Por ejemplo: las membranas que controlan la entrada y salida de los materiales celulares. Si se rebasan los lmites, los mecanismos de la retroalimentacin negativa corrigen la situacin. La clula puede vivir porque es un sistema abierto. Existe como una clula por los sistemas cibernticos que mantienen intactas sus caractersticas "celulares".

    Generalmente se examina un punto de vista ecolgico por ejemplo energa , primero, como un sistema abierto, determinando las entradas y salidas del sistema general. Luego se indaga la forma en que el sistema maneja estas entradas conservando su propia identidad, lo cual conduce a los sistemas cibernticos dentro del sistema abierto.

    d) Todos los sistemas vivos so n ---------------------------------------------------------------------

    b) Los sistemas vivos se clasifican en niveles porque cada nivel contiene---------------

    ---------------------------- que proporcionan a dicho nivel una identidad especial.

    c) Una clula es un(a)-----------------------------------------------

  • 40 Naturaleza de los ecosistemas

    En este libro se emplean poco las matemticas, pero a medida que la ecologa se tom a ms elaborada y hace predicciones ms precisas, deber esperarse, razonablemente, que adquieran forma matemtica muchas de las explicaciones y leyes aqu descritas.

    12. Los eclogos emplean comnmente el trmino ecosistema para describir un sistema que contiene componentes tanto vivos como inanimados (una comunidad que interacta con su ambiente abitico). Un ecosistema se compone de subsistemas que presentan caractersticas e interacciones propias, pero el ecosistema es ms til cuando se considera un todo sencillo.

    El planeta tierra se puede considerar como un ecosistema abierto nico (Fig. 1.15). El ecosistema tierra constituye obviamente un sistema abierto: necesita constantemente entrada de energa y continuamente libera la energa utilizada en forma de calor. Pero, al igual que otros ecosistemas, posee tambin subsistemas cibernticos, con sus puntes de partida y ciclos de retroalimentacin.

    Entrada

    Ecwsiemi oe U (liria

    7 Y )Safcda

    Luz volar V \ ) ) Calor radiado a!(energa) v v / y espacio (resumideroX J X L ___^

    Cicktt bioqumicos y espirales de pobUciOneroluciOn

    trmico)

    Figura 1.15 Li. Tierra considerada como un solo ecosistema.

    En realidad, el planeta tierra, como un todo, resulta demasiado grande y complejo para que pueda contemplarse de manera til como un ecosistema. Nc existe tcnicamente, ninguna razn para que esto no deba hacerse, pero desde un punto de vista prctico se debe tender a limitar el uso de la palabra ecosistema a un gmpo de organismos que actan entre s y que pueden estudiarse, con resultados, utilizando los instrumentos y conceptos actuales. Un bosque, un estanque, una ciudad, cicna altitud en una montaa, constituyen ecosistemas tpicos manejables.

    Al estudiar un ecosistema particular se debe determinar el factor tiempo. Un ecosistema se puede considerar como algo esttico y estudiar las interacciones de los componentes del sistema como si fuesen constantes e invariables. O bien, se puede considerar a un ecosistema como una entidad dinmica cuyos componentes estn evolucionando constantemente y, por lo tanto, modificando al sistema mismo. La aplicacin de este ltimo punto de vista es a menudo difcil, pero cuando se logra, se tiene una visin realista de una parte del mundo.

    Sin embargo, aun cuando se toma en consideracin la evolucin de los componentes del ecosistema, es usual que se excluyan cambios realmente importantes del concepto de ecosistema. Por ejemplo, si se considera un pantano, su historia puede iniciarse con la ltima glaciacin al final de la ltima edad de hielo. Si el hombre drena el pantano y construye en su lugar una fbrica, se podr decir que el

  • Conceptos ecolgicos y de sistemas 41

    ecosistema pantano ha dejado de existir y que se inicia un nuevo ecosistema. Un ecosistema particular puede perdurar, pero solamente hasta que la mayora de sus componentes, o sus interacciones, permanecen sin cambio sustancial.

    Finalmente, es necesario reafirmar el hecho de que no existe sistema aislado. Cada ecosistema es parte de un ecosistema mayor, lo cual puede extenderse, al menos sobre todo el globo terrqueo. En igual forma, C3da ecosistema incluye ecosistemas que contienen otros ecosistemas y as sucesivamente hasta llegar a las relaciones ambientales ms bsicas. Adems, los ecosistemas tambin pueden relacionarse en forma horizontal, puesto que las entradas de cualquier ecosistema constituyen seguramente, la salida de otro ecosistema.

  • 42 Naturaleza de los ecosistemas

    AUTOEXAMEN

    La finalidad de este autoexamen es que Ud. sepa si logr los objetivos dl captulo. Conteste las preguntas lo mejor que pueda. En la mayora de los casos deber escribir de una a tres oraciones breves para definir, o para explicar, algn concepto. Al final del autoexamen se proporcionan las respuestas correctas y las instrucciones para el repaso.

    1. Relacione los siguientes trminos con sus definiciones.

    (1) secuencia de eventos que ocurre regularmente.

    (2) ciencia que estudia las interacciones entre los organismos vivos y sus am bientes.

    (3) todos los organismos vivos que se encuentran sobre o alrededor del planeta Tierra.

    (4) grupo de organismos do una mismaespecie que viven en una rea determinada.

    (5) capacidad para trabajar.(6) estudio de los ecosistemas en la forma

    que afectan, o que son afectados por los seres humanos.

    (7) todas las poblaciones de organismos que existen e interactan en una cierta rea.

    (8) la comunidad y el ambiente abitico correspondiente, que interactan como un todo.

    2. La meta de la ciencia es----------------------------------------------------------------------------

    3. En fsica, la luz puede considerarse tanto una onda como una partcula. Qu ilustra este hecho?---------------------------------------------------------------------------------

    4. Qu perspectiva ecolgica, o punto de vista, es. finalmente, ms importante?

    Explique su re sp u e s ta ---------------------------------------------------------------------------

    5. Defina un sistema

    a) ecologa.

    b) ecologa humana.

    c) energa.

    d) ciclo.

    e) poblacin.

    J) comunidad.

    f) ecosistema.

    h) biosfera.

    6. Qu es un sistema abierto?

  • Conceptos ecolgicos y de sistemas 43

    Qu es un sistema ciberntico?

    Figura 1.17

    D sm io o a fi A um ento

    Figura 1.16

    8. Marque la figura 1.16

    (a) --------------------------------------- ( b ) -------------------------------

    (c) ----------------------------------------- ( d ) --------------------------------

    Examine la figura 1.17, despus conteste las preguntas siguientes.

    E ntrad)

  • a) En relacin con el sistema B, A es un__ ______________________________

    b) En relacin con el sistema B. C es un ---------------------------------------------

    c) En relacin con el sistema A. B es un---------------------------------------------------- -

    d) En relacin con el sistema C, B es un-----------------------------------------------------

  • Conceptos ecolgicos y de sistemas 45

    RESPUESTAS DEL AUTOEXAMEN

    Compruebe las respuestas que dio al autoexamen con las que se indican a continuacin. Si todas sus respuestas son correctas, podr pasar al siguiente captulo. Si alguna respuesta est equivocada, revise los cuadros que se indican entre parntesis, despus de cada respuesta. Si varias estn equivocadas, probablemente deber releer todo el captulo.

    !. a) 2 (cuadro 1) b) 6 [cuadro Dc) 5 (cuadro 4) d) l {cuadro 4)e) 4 (cuadros 3 y 4) f ) 7 (cuadros 3 y 4)g) 8 (cuadros 1, 3 y 4) h) 3 (cuadro 3)

    Hacer predicciones precisas de los eventos futuros (cuadro 2).

    La importancia de observar al mismo sistema desde diferentes puntos de vista o perspectiva, o bien, el empleo de diferentes modelos para diferentes propsitos (cuadro 4).

    i Ninguna perspectiva es ms importante que otra. La validez o importancia de un punto de vista, depende del propsito. Los puntos de vista particulares son ms o menas vlidos, dependiendo del tipo de predicciones que se desee hacer (cuadro4).

    5 Un sistema es una coleccin de partes, o de eventos, que pueden observarse como un todo sencillo, debido a la interdependencia e interaccin de dichas partes o eventos (cuadro 5).

    $ Los sistemas abiertos dependen del ambiente externo para el suministro de entradas y la aceptacin de salidas (cuadras 5 y 6).

    Los sistemas cibernticos son sistemas que emplean un tipo de mecanismo de retroalimentacin para su autorregulacin (cuadros 5 y 7).

    4. a) punto de partida; b) retroalimentacin positiva; c) retroalimentacin negativa; d) plano homeosttico (cuadros 5-8).

    4. a) supersistema; b) subsistema; cJ subsistema; d) supersistema; c) subsistema C; f) supersistema A (cuadro 9).

    T' a) S. Requieren entradas de su ambiente para continuar existiendo y deben producir salidas.

    b) Los sistemas cibernticos dan a cada nivel sus caractersticas peculiares. Los sistemas cibernticos (con mecanismos de retroalimentacin negativa) mantienen un sistema (a un nivel particular) en estado de equilibrio; conservan su carcter esencial (punto de partida), y evitan que se transforme (cuadro 10).

    II Debe haberse mencionado, por lo menoi, lo siguiente: reciben entradas yproducen salidas. Algunas de sus caractersticas singulares se mantienen mediante los sistemas cibernticos poseen mecanismos de retroalimentacin y un plano homeosttico. Son subsistemas de sistemas mayores y contienen subsistemas ellos mismos (cuadro 12).

  • SEGUNDA PARTE

    La energa en los ecosistemas

    La energa es un concepto enigmtico. Interviene en cada elemento simple del universo, desde las ranas hasta los fotones. Existe energa en todo lugar y en cualquier cosa. Es uno de los conceptos fundamentales de la fsica. Sin embargo, los fsicos, dicen que realmente no la comprenden totalmente. No obstante, es evidente que: la energa nunca se crea o desaparece en la nada. La energa siempre puede "contabilizarse". en la misma forma que un banco responde por el dinero de sus clientes. Si no se puede dar cuenta de cierta energa es porque se ha cometido un error, ya que la contabilidad energtica de la naturaleza siempre est equilibrada. Aplicando la contabilidad energtica al anlisis de los sistemas complejos, pueden obtenerse datos importantes. Los especialistas en el medio ambiente empiezan a percatarse de que el punto de vista energtico puede constituir un elemento analtico sumamente til.

    La segunda pane se compone de tres captulos. El capitulo dos desarrolla los principios que fundamentan la comprensin de la energa. La tierra se considera un sistema abierto que recibe energa continuamente del sol y la retorna al espacio en forma de calor. Se estudia la distribucin de la radiacin solar y se presenta la primera y segunda leyes de la termodinmica.

    El captulo 3 describe la forma en que acta la energa en la organizacin de un ecosistema. Se traza la ruta que sigue la energa en las cadenas y redes alimenticias, considerando que cada organismo vivo es un sistema abierto individual que convierte su entrada de energa en tejido nuevo, desperdicios y calor.

    En el captulo 4 se presenta el concepto de productividad de la comunidad, y algunas de sus implicaciones humanas. El hombre depende de la energa que se deriva del sol para mantener en funcionamiento su maquinaria biolgica y tecnolgica. Este captulo estudia tambin los modelos cambiantes de consumo energtico humano, y ciertos problemas que se presentan cuando el hombre se equivoca en el balance apropiado de sus libros ce contabilidad energtica.

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