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¿Por qué las plantas crean suficiente energía para todo el ecosistema?


En mi clase de medio ambiente, recientemente aprendimos sobre la ley del $ 10 \% $ que básicamente dice que solo $ 10 \% $ de la energía pasa de un nivel trófico al siguiente.

Esto me hizo pensar en por qué la energía fluye de un nivel a otro. Específicamente, ¿por qué las plantas crean suficiente energía para todo el ecosistema? ¿No les iría bien sin nosotros, y eso no les ahorraría el trabajo de crear todo ese exceso de energía?


Las plantas recolectan energía para sí mismas a través de la fotosíntesis, no para los demás. Se utiliza para su propio crecimiento y supervivencia.

Luego, su energía se redistribuye a otros organismos cuando la planta muere y se descompone o cuando se consume. Muchos organismos no pueden recolectar su energía como lo hacen las plantas y, por lo tanto, deben alimentarse de organismos (como las plantas) que pueden recolectar y almacenar energía. En muchos casos, esto es perjudicial para la planta (debe ser intuitivo por qué comer puede ser malo), y muchas, muchas plantas tienen características para disuadir a otros organismos de comerlas (plantas con toxinas, espinas, etc.).


Veamos un "ecosistema" muy simple, vacas y pasto. Imagina que hay 1000 kilogramos de hierba disponibles. Esto puede soportar unos 100 kg de vaca. Ahí está tu cifra del 10%, pero la masa aquí en lugar de la energía.

Cuando la vaca come la hierba, debe descomponer la comida para obtener materia y energía. Cada vez que se transfiere energía, parte de ella se "pierde" en forma de calor. Entonces, a medida que la energía en los enlaces de las moléculas de la hierba se transfiere a energía en los enlaces de moléculas que forman la vaca, gran parte de esa energía se desperdicia, irradiada desde la vaca en forma de calor. La vaca también tiene muchas tareas que realizar que también utilizan la energía del césped. Tiene que caminar, pastar, masticar, hacer más vacas, etc. Cuando se tiene en cuenta todo esto, la vaca ha utilizado el 90% de la energía de la comida para satisfacer sus propias necesidades energéticas, así como los desechos.

En el proceso de descomponer la hierba para obtener energía, la vaca transformó la comida, de la que extraía la energía, en dióxido de carbono y agua. El dióxido de carbono se expulsó a la atmósfera. Solo queda el 10% de la materia en la comida para agregar masa a la vaca. Es por eso que la vaca solo engorda 1 kg de peso por cada 10 kg de pasto.

Entonces esa vaca, habiendo retenido solo el 10% de la materia que estaba en la comida, solo tiene el 10% de la energía ya que la energía se almacena en los enlaces químicos de la materia.

La regla del 10% es una aproximación. Varios de mis estudiantes estaban en FFA (Future Farmers of America) y criaron animales. Una de las tareas que debían realizar es realizar un seguimiento del peso del alimento y compararlo con el aumento de peso del animal. Muchos con los que hablé lo hicieron mejor que el 10%, pero gran parte de eso probablemente se debió a la mayor calidad del alimento que utilizaron.


¿Por qué las plantas crean suficiente energía para todo el ecosistema? - biología

El flujo de energía: producción primaria a niveles tróficos superiores

"Toda carne es hierba".
- Isaías

Se necesitan 300 truchas para mantener a un hombre durante un año. La trucha, a su vez, debe consumir 90.000 ranas, que deben consumir 27 millones saltamontes que viven de 1,000 toneladas de pasto.
- G. Tyler Miller, Jr., químico estadounidense (1971)

  • ¿Cuánta energía solar está disponible y asimilada por las plantas, y cómo se mide?
  • ¿Cómo se relacionan la producción bruta, la producción neta y la producción del ecosistema?
  • ¿Cómo se relacionan la cosecha en pie, la tasa de rotación y la producción primaria neta?
  • ¿Qué tipos de ecosistemas tienen las tasas de producción más altas y cuáles hacen las mayores contribuciones a la producción primaria mundial?
  • ¿Qué factores limitan la cantidad de producción primaria a nivel local y mundial?
  • ¿Cuál es la eficiencia con la que la energía se convierte de nivel trófico a nivel trófico?
  • ¿Cuáles son las diferencias entre la eficiencia de asimilación, la eficiencia de producción neta y la eficiencia ecológica?
  • ¿Cómo se diferencian los ecosistemas en la cantidad de biomasa o el número de organismos presentes en cualquier momento y generados a lo largo del tiempo, en cada nivel trófico?
  • ¿Cuánta energía está disponible para los humanos, cuánta usamos y esa cantidad es sostenible?

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Introducción - Flujos de energía en las redes tróficas

Tanto la energía como los materiales son esenciales para la estructura, función y composición del ecosistema. Ya ha sido expuesto a los conceptos básicos de los ciclos de nutrientes en esta conferencia que nos enfocamos en la energía. Tenga en cuenta que en términos del ciclo del carbono, los "materiales" y la energía se pueden convertir entre sí. Por ejemplo, sabemos cuántas calorías (una medida de energía) contiene un gramo de ciertos compuestos de carbono, como grasas o carbohidratos.

Autótrofos versus heterótrofos

Como breve reseña, reconocemos que algunos organismos son capaces de sintetizar moléculas orgánicas a partir de precursores inorgánicos y de almacenar energía bioquímica en el proceso. Estos se llaman autótrofos, que significa "autoalimentación". Los autótrofos también se conocen como productores primarios. Organismos capaces de fabricar moléculas orgánicas complejas a partir de compuestos inorgánicos simples (agua, CO2, nutrientes) incluyen plantas, algunos protistas y algunas bacterias. El proceso por el cual hacen esto generalmente es fotosíntesis, y como su nombre lo indica, la fotosíntesis requiere luz (ver figura 1).

Para completar, debemos mencionar la vía conocida como quimiosíntesis. Algunos organismos productores, en su mayoría bacterias especializadas, pueden convertir nutrientes inorgánicos en compuestos orgánicos sin la presencia de luz solar. Existen varios grupos de bacterias quimiosintéticas en ambientes marinos y de agua dulce, particularmente aquellas ricas en azufre o gas sulfuro de hidrógeno. Al igual que las plantas portadoras de clorofila y otros organismos capaces de realizar la fotosíntesis, los organismos quimiosintéticos son autótrofos (consulte las notas de la conferencia sobre microbios para obtener más información). Muchos organismos solo pueden obtener su energía alimentándose de otros organismos. Estos se llaman heterótrofos. Incluyen consumidores de cualquier organismo, en cualquier forma: plantas, animales, microbios, incluso tejido muerto. Los heterótrofos también se llaman consumidores.

En esta conferencia comenzaremos con una consideración de la producción primaria, y en la próxima lección examinaremos qué le sucede a esta energía cuando se transporta a lo largo de una cadena alimentaria.

El proceso de producción primaria

Ya sea que se mida la velocidad a la que ocurre la fotosíntesis, o la velocidad a la que la planta individual aumenta en masa, uno se preocupa por producción primaria (definición: síntesis y almacenamiento de moléculas orgánicas durante el crecimiento y reproducción de organismos fotosintéticos). La idea central es que se produzcan nuevos compuestos químicos y nuevos tejidos vegetales. Con el tiempo, la producción primaria da como resultado la adición de nueva biomasa vegetal al sistema. Los consumidores obtienen su energía de los productores primarios, ya sea directamente (herbívoros, algunos detritívoros) o indirectamente (depredadores, otros detritívoros).

¿Existe un límite superior para la producción primaria?? La respuesta corta es "sí". Consideremos brevemente cuánta energía capturan los autótrofos y examinemos qué tan eficiente es el proceso de fotosíntesis. Recuerde que la intensidad de la radiación solar que llega a la superficie terrestre depende en parte de la ubicación: la máxima intensidad energética se recibe en el ecuador y la intensidad disminuye a medida que nos movemos hacia los polos. Como vimos en la conferencia sobre ecosistemas, estas diferencias tienen efectos profundos en el clima y conducen a los patrones geográficos observados de los biomas.

Además, sabemos que solo una pequeña fracción de la radiación solar se utiliza realmente en la reacción fotosintética en las plantas de la superficie de la Tierra. De la radiación solar total que golpea la atmósfera exterior de la Tierra, aproximadamente la mitad se refleja en el espacio por el hielo, la nieve, los océanos o los desiertos, o es absorbida por los gases de la atmósfera; por ejemplo, la capa de gas ozono de la atmósfera absorbe casi todo el ultravioleta. luz, que constituye aproximadamente el 9% de la radiación solar.

En general, de la luz que llega a la superficie de la Tierra, solo aproximadamente la mitad se encuentra en el rango de longitud de onda que pueden utilizar las plantas en la fotosíntesis (

400-700 nm de longitud de onda): esto se llama radiación fotosintéticamente activa o PAR. Las plantas absorben fuertemente la luz de las longitudes de onda azul y roja (de ahí su color verde, el resultado de la reflexión de las longitudes de onda verdes), así como la luz en la región del infrarrojo lejano, y reflejan la luz en la región del infrarrojo cercano. Incluso si la longitud de onda es correcta, no toda la energía luminosa se convierte en carbono mediante la fotosíntesis. Parte de la luz no llega al cloroplasto de la hoja, donde ocurren las reacciones fotintéticas, y gran parte de la energía de la luz que se convierte mediante la fotosíntesis en compuestos de carbono se utiliza para mantener la `` maquinaria '' bioquímica de la planta funcionando correctamente; esta pérdida generalmente se denomina `` respiración '', aunque también incluye pérdidas termodinámicas. Las plantas, entonces, no usan toda la energía lumínica que teóricamente tienen a su disposición. (ver figura 2).


Figura 2: Reducción de la energía disponible para las plantas.

En promedio, la producción primaria bruta de las plantas en la tierra es de aproximadamente 5,83 x 10 6 cal m -2 año -1. Esto es aproximadamente el 0.06% de la cantidad de energía solar que cae por metro cuadrado en el borde exterior de la atmósfera terrestre por año (definido como el constante solar e igual a 1.05 x 10 10 cal m -2 año -1). Después de los costos de respiración, la producción primaria neta de la planta se reduce a 4,95 x 10 6 cal m -2 año-1, o alrededor del 0,05% de la constante solar. Tenga en cuenta que esta es la eficiencia "media" y, en las plantas terrestres, este valor puede alcanzar

2-3% y en sistemas acuáticos este valor puede alcanzar

1%. Esta eficiencia relativamente baja de conversión de energía solar en energía en compuestos de carbono establece la cantidad total de energía disponible para los heterótrofos en todos los demás niveles tróficos.

Algunas Definiciones

Hasta ahora no hemos sido muy precisos acerca de nuestras definiciones de "producción", y debemos dejar muy claros los términos asociados con la producción.

* Producción primaria bruta, GPP, es la cantidad total de CO2 que es fijado por la planta en la fotosíntesis.

* Respiración, R, es la cantidad de CO2 que se pierde de un organismo o sistema debido a la actividad metabólica. La respiración se puede dividir en componentes que reflejan la fuente del CO2.

Rpag = Respiración por plantas

Rh = Respiración por heterótrofos

RD = Respiración por descomponedores (los microbios)

* Producción primaria neta, CN, es la cantidad neta de producción primaria después de que se incluyen los costos de respiración de la planta. Por lo tanto, NPP = GPP - R

* Producción neta del ecosistema, NEP, es la cantidad neta de producción primaria después de que se incluyen los costos de respiración de las plantas, heterótrofos y descomponedores. Por lo tanto, NEP = GPP - (Rpag + Rh + RD)

Una medida de la producción neta del ecosistema es de gran interés al determinar el CO2 equilibrio entre varios ecosistemas, o toda la Tierra, y la atmósfera. Esto se discutirá más en nuestras conferencias sobre el cambio climático y el ciclo global del carbono.

Nota que en estas definiciones sólo nos ocupamos de la producción "primaria" y no de la "secundaria". La producción secundaria es la ganancia de biomasa o reproducción de heterótrofos y descomponedores. Las tasas de producción secundaria, como veremos en una próxima conferencia, son mucho más bajas que las tasas de producción primaria.

Un ejemplo cotidiano de cómo se relacionan GPP, NPP y R. Para comprender mejor la relación entre la respiración (R) y la producción primaria bruta y neta (GPP y NPP), considere el siguiente ejemplo. Digamos que tiene un trabajo a tiempo parcial y gana $ 100 por semana que van directamente a su cuenta bancaria. Esta es su "producción bruta" de dinero, y es análoga a la producción bruta de carbono fijado en azúcares durante la fotosíntesis. Ahora supongamos que gasta $ 50 por semana de su cuenta bancaria en alimentos, lo que en parte es necesario para que pueda mantenerse con vida y con buena salud y poder continuar con su trabajo de medio tiempo. Ese es el "costo" que paga para seguir operando, y es análogo al costo de respiración que tiene una planta cuando sus células usan parte de la energía fijada en la fotosíntesis para construir nuevas enzimas o clorofila para capturar la luz o deshacerse de los productos de desecho en la célula. Por lo tanto, en su cuenta bancaria, su producción bruta es de $ 100 por semana, su costo de vida (respiración) es de $ 50 por semana y la cantidad de dinero "neta" que produce cada semana (su producción neta) es de $ 100 - $ 50 = $ 50. Puede ver que el saldo de su cuenta bancaria se determina de la siguiente manera: su producción neta es igual a su producción bruta menos la respiración, que es la misma que la ecuación anterior que establece la producción primaria neta (NPP) = la producción primaria bruta (GPP) menos Respiración (R).

Medición de la producción primaria

(a) Tasa de fotosíntesis :

Conoces la ecuación de la fotosíntesis de una conferencia anterior:

Si pudiéramos colocar nuestras plantas en un sistema cerrado y medir el agotamiento de CO2 por unidad de tiempo, o la generación de O2, tendríamos una medida directa de la producción primaria.

El método utilizado en los estudios de producción primaria acuática ilustra bien este método. En las aguas superficiales de los lagos y océanos, las plantas son principalmente algas unicelulares y la mayoría de los consumidores son crustáceos y protozoos microscópicos. Tanto los productores como los consumidores son muy pequeños y se pueden contener fácilmente en un litro de agua. Si pones estos organismos en una botella y enciendes las luces, obtienes la fotosíntesis. Si apaga las luces, apaga la producción primaria.

Sin embargo, la oscuridad no tiene ningún efecto sobre la respiración. Recuerda que celular respiración es el proceso inverso de la fotosíntesis, como sigue.

La fotosíntesis almacena energía y la respiración la libera para su uso en funciones como la reproducción y el mantenimiento básico. Al calcular la cantidad de energía que una planta almacena como biomasa, que luego está disponible para los heterótrofos, debemos restar los costos de respiración de la planta de la producción primaria total.

El procedimiento general es tan simple que la producción primaria de los océanos del mundo se ha cartografiado con considerable detalle, y también se han investigado muchos de los lagos de agua dulce del mundo (Figura 3). Se toma una serie de pequeñas botellas de vidrio con tapón, y la mitad de ellas se envuelven con algún material como papel de aluminio para que no penetre la luz. Estos se denominan botellas "claras" y "oscuras", respectivamente.

Figura 3. "Limnólogos" (personas que estudian lagos y arroyos) que trabajan
en el lago Victoria en África oriental (izquierda) y en el lago Michigan (derecha).

Las botellas están llenas de agua extraída de un lugar y profundidad en particular, esta agua contiene las diminutas plantas y animales del ecosistema acuático. Las botellas se cierran con tapones para evitar cualquier intercambio de gases u organismos con el agua circundante, y luego se suspenden durante unas horas a la misma profundidad de donde se extrajo originalmente el agua. Dentro de las botellas CO2 se está consumiendo, y O2 se está produciendo y podemos medir el cambio a lo largo del tiempo en cualquiera de estos gases.

Por ejemplo, la cantidad de oxígeno disuelto en agua se puede medir fácilmente mediante titulación química. Antes de suspender las botellas, la O inicial2 La concentración se determina y expresa como mg de O2 por Litro de agua (mg / L). Luego, el valor final se mide tanto en las botellas claras como en las oscuras después de una duración cronometrada de incubación. ¿Qué procesos están teniendo lugar en cada botella que podrían alterar el O original?2 o CO2 concentraciones? Las siguientes ecuaciones los describen.

Botella ligera: En la botella ligera hay fotosíntesis o Producción Primaria Bruta (GPP) y hay Respiración (R). La diferencia entre estos dos procesos, como vimos anteriormente, es Producción primaria neta = NPP = (GPP - R)

Botella oscura:En la botella oscura no hay fotosíntesis y solo respiración. (En este ejemplo, también podemos tener algo de respiración del consumidor en ambas botellas, a menos que usemos una red para tamizar pequeños heterótrofos).

Ahora considere el siguiente ejemplo simple. Ilustra cómo contabilizamos los cambios de las concentraciones iniciales de oxígeno en el agua que ocurrieron durante la incubación. Asumiremos que nuestro período de incubación fue de 1 hora. Concentraciones de oxígeno medidas:

Botella inicial = 8 mg de O2 / L Botella ligera = 10 mg de O2 / L Botella oscura= 5 mg de O2 / L

El oxígeno aumentó en la botella de luz en comparación con el inicial debido a la fotosíntesis, y el oxígeno disminuyó en la botella oscura debido a la respiración. Con esta información podemos calcular el Respiración, CN, y GPP para nuestro sistema:

(Ligero - Inicial) = (10 - 8) = 2 mg / L / hr = (GPP - R) = CN

(Inicial - Oscuro) = (8 - 5) = 3 mg / L / hr = Respiración

(Claro - Oscuro) = (10-5) = 5 mg / L / hr = (NPP + R) = GPP

Por lo tanto, tenemos una medida de la producción primaria neta y bruta, así como la respiración de nuestro sistema. La técnica del oxígeno es limitada en situaciones donde la producción primaria es muy baja. En estas situaciones, la forma radiactiva del carbono, C 14 (14 CO2), se puede utilizar para controlar la absorción y fijación de carbono. También puede convertir los resultados entre los métodos de oxígeno y carbono multiplicando los valores de oxígeno por 0,375 para ponerlos en equivalentes de carbono (el factor proviene de las diferencias en la masa atómica).

(B) Tasa de acumulación de biomasa:

¿Qué haces con las plantas que son demasiado grandes para ponerlas en botellas? Considere el siguiente ejemplo. Supongamos que deseamos conocer la producción primaria de un cultivo de maíz. Plantamos algunas semillas y al cabo de un año recolectamos muestras de las plantas enteras, incluidas las raíces que estaban contenidas en un metro cuadrado de área. Los secamos para eliminar cualquier variación en el contenido de agua y luego los pesamos para obtener el "peso seco". Por lo tanto, nuestra medida de la producción primaria sería gramos m -2 año -1 de tallos, hojas, raíces, flores y frutos, menos la masa de las semillas que pueden haber volado. ¿Qué hemos medido?

No es GPP, porque parte de la energía producida por la fotosíntesis se destinó a satisfacer las necesidades metabólicas de las propias plantas de maíz. ¿Es NPP? Bueno, si excluyéramos a todos los consumidores como los insectos de la planta de maíz, tendríamos una medida de NPP. Pero asumimos que algunos insectos y artrópodos del suelo tomaron una parte de la biomasa vegetal y, dado que no medimos esa parte, en realidad hemos medido algo menos que la NPP. Tenga en cuenta que esta es exactamente la misma situación en el método de la botella que describimos anteriormente si se incluyeran pequeños heterótrofos que rozaban algas en la botella, en cuyo caso los dos métodos medirían lo mismo.

En años recientes también ha sido posible estimar GPP y R en plantas grandes o bosques enteros usando trazadores y técnicas de intercambio de gases. Estas mediciones forman ahora la base de nuestras investigaciones sobre cómo la producción primaria afecta el contenido de dióxido de carbono de nuestra atmósfera.

Producción, cultivo en pie y rotación

Cultivo permanente, por otro lado, es una medida de la biomasa del sistema en un solo punto en el tiempo, y se mide como calorías o gramos por m 2. La diferencia entre producción y cultivo en pie es crucial y puede ilustrarse con la siguiente pregunta. ¿Debería un forestal, interesado en cosechar el mayor rendimiento de una parcela, estar más interesado en la cosecha en pie del bosque o en su producción primaria? Bueno, el elemento clave de la respuesta es "TIEMPO". Si el forestal quiere una inversión a corto plazo (es decir, talar el bosque y vender los árboles para obtener el máximo beneficio inmediato), entonces cuanto mayor sea la cosecha en pie, mejor. Si, en cambio, el forestal quiere administrar el bosque a lo largo del tiempo (vender algunos árboles mientras crece más cada año), entonces la tasa a la que el bosque produce nueva biomasa es crítica.

La relación entre el cultivo en pie y la producción (cultivo en pie / producción) es igual a la Rotación del sistema. Al dividir la cosecha en pie (unidades de g / m 2) por la producción (unidades de g / m 2 / año), puede ver que la rotación está en unidades de 1 / (1 / año) = año en este ejemplo. Por lo tanto, el stock o la cosecha en pie de cualquier material dividido por la tasa de producción le da una medida de tiempo. Observe cuán similar (realmente idéntico) es este tiempo de rotación al tiempo de residencia del que aprendió en conferencias anteriores. Es realmente importante considerar este elemento de "tiempo" siempre que esté pensando en casi cualquier aspecto de un organismo o ecosistema o en un problema de sostenibilidad. Aprender cuánto de algo está sucediendo y qué tan rápido está cambiando es un aspecto crítico para comprender el sistema lo suficientemente bien como para tomar decisiones, por ejemplo, la decisión del forestal anterior puede estar impulsada por preocupaciones económicas o por preocupaciones de conservación, pero el " La mejor "opción para cualquiera de esas preocupaciones aún depende de una comprensión de la producción, la cosecha en pie y la rotación del bosque. Esto resalta el punto señalado en conferencias anteriores de que para tomar decisiones sobre sustentabilidad debe comprender estos conceptos científicos básicos.

Patrones y controles de la producción primaria en los ecosistemas del mundo

Figura 4. Producción primaria neta por unidad de superficie de los ecosistemas comunes del mundo.

Si deseamos conocer la cantidad total de NPP en el mundo, debemos multiplicar estos valores por el área que ocupan los distintos ecosistemas. Al hacer eso, encontramos que ahora los sistemas más productivos son los océanos abiertos, las selvas tropicales, las sabanas y las selvas tropicales estacionales. (ver figura 5).

Figura 5. Producción primaria neta mundial promedio de varios ecosistemas.

¿Qué explica estas diferencias en la producción por unidad de área? Básicamente, la respuesta es que el clima y los nutrientes controlan la productividad primaria. Las áreas cálidas y húmedas generalmente son más productivas (ver Figuras 6a y 6b). En general, la cantidad de agua disponible limita la producción primaria de la tierra en nuestro mundo, en parte debido a las grandes áreas de desierto que se encuentran en ciertos continentes. Los cultivos agrícolas son especialmente productivos debido a los subsidios "artificiales" de agua y fertilizantes, así como al control de plagas.

Figuras 6a y 6b. Gráficos que muestran la relación
entre NPP y precipitación, y entre NPP y temperatura.

Aunque la temperatura y especialmente la precipitación están relacionadas con la producción, notará un gran grado de "dispersión" alrededor de la línea de mejor ajuste trazada en los gráficos anteriores. Por ejemplo, observe el rango de valores de producción (eje Y) a un valor de temperatura de 10 grados C o un valor de precipitación de 1000 mm. La dispersión o variación en la producción se debe en parte a otros aspectos de sistemas particulares (locales), como su disponibilidad de nutrientes o sus tasas de rotación. Por ejemplo, los pastizales pueden tener una tasa relativamente alta de producción primaria durante una breve temporada de crecimiento, sin embargo, la biomasa de los cultivos en pie nunca es muy grande. Esto es indicativo de una alta tasa de rotación. En un bosque, por otro lado, la biomasa de cultivos en pie de madera por encima del suelo y raíces subterráneas es grande. La producción de cada año de materia vegetal nueva es una pequeña fracción de la cosecha total en pie, por lo que la rotación de la biomasa forestal es mucho menor.

Otro buen ejemplo se ve en los océanos, donde la mayor parte de la producción primaria se concentra en algas microscópicas. Las algas tienen ciclos de vida cortos, se multiplican rápidamente, no generan mucha biomasa en relación con su número y los herbívoros las comen rápidamente. En cualquier momento dado, entonces, la cosecha de algas en pie en un océano probablemente sea baja, pero la tasa de rotación puede ser alta (ver más abajo). Ahora hemos examinado el primer paso en el flujo de energía a través de los ecosistemas: la conversión de energía de los productores primarios en una forma que sea utilizable por los heterótrofos, así como por los propios productores. En la próxima conferencia examinaremos cómo esta energía se mueve a través del resto del ecosistema, proporcionando combustible para la vida en niveles tróficos más altos.

El flujo de energía a niveles tróficos superiores

La mayoría de ustedes ahora están familiarizados con el concepto de nivel trópico (ver figura 1). Es simplemente un nivel de alimentación, como a menudo se representa en una cadena alimentaria o red alimentaria. Los productores primarios comprenden el nivel trófico inferior, seguidos por los consumidores primarios (herbívoros), luego los consumidores secundarios (carnívoros que se alimentan de herbívoros), etc. Cuando hablamos de "ascender" en la cadena alimentaria, estamos hablando en sentido figurado y queremos decir que pasamos de plantas a herbívoros a carnívoros. Esto no tiene en cuenta los descomponedores y detritívoros (organismos que se alimentan de materia orgánica muerta), que forman sus propias vías tróficas de gran importancia.

En el proceso, se realiza el trabajo metabólico y la energía de los enlaces químicos se convierte en energía térmica. Si no se consumiera NPP, se acumularía en alguna parte. Por lo general, esto no sucede, pero durante períodos de la historia de la Tierra como el Carbonífero y Pensilvania, enormes cantidades de NPP superan la degradación de la materia orgánica acumulada en los pantanos. Fue enterrado y comprimido para formar los depósitos de carbón y petróleo que extraemos hoy. Cuando quemamos estos depósitos (la misma reacción química que la anterior excepto que se produce una mayor energía) liberamos la energía para impulsar las máquinas de la industria, y por supuesto el CO2 pasa a la atmósfera como gas de efecto invernadero. Esta es la situación que tenemos hoy, donde el exceso de CO2 de la quema de estos depósitos (más allá del exceso de NPP) va a la atmósfera y se acumula con el tiempo, cambiando drásticamente nuestro clima.

  • Solo una fracción de la energía disponible en un nivel trófico se transfiere al siguiente nivel trófico. La regla general es del 10%, pero esto es muy aproximado.
  • Normalmente, el número y la biomasa de organismos disminuyen a medida que uno asciende en la cadena alimentaria.

Un ejemplo: el zorro y la liebre

La liebre usa una fracción significativa de la energía asimilada simplemente siendo una liebre, manteniendo una temperatura corporal alta y constante, sintetizando proteínas y saltando. Esta energía utilizada (perdida) se atribuye a la respiración celular. El resto se destina a producir más biomasa de liebres mediante el crecimiento y la reproducción (es decir, el aumento de la biomasa general de las liebres mediante la creación de descendencia). La conversión de energía asimilada en tejido nuevo se denomina producción secundaria en los consumidores, y es conceptualmente lo mismo que la producción primaria o NPP de las plantas. En nuestro ejemplo, la producción secundaria de la liebre es la energía disponible para los zorros que se comen las liebres para satisfacer sus necesidades. Claramente, debido a todos los costos de energía de las liebres involucradas en actividades metabólicas normales, la energía disponible para los zorros es mucho menor que la energía disponible para las liebres.

Así como calculamos la eficiencia de asimilación anterior, también podemos calcular la eficiencia de producción neta para cualquier organismo. Esta eficiencia es igual a la producción dividida por la asimilación para los animales, o el NPP dividido por el GPP para las plantas. La "producción" aquí se refiere al crecimiento más la reproducción. En forma de ecuación, tenemos eficiencia de producción neta = (producción / asimilación), o para plantas = (NPP / GPP). Estas proporciones miden la eficiencia con la que un organismo convierte la energía asimilada en producción primaria o secundaria.

Estas eficiencias varían entre organismos, en gran parte debido a requisitos metabólicos muy diferentes. Por ejemplo, en promedio, los vertebrados de sangre caliente como los mamíferos y las aves usan alrededor del 98% de la energía asimilada para el metabolismo, dejando solo el 2% para el crecimiento y la reproducción. En promedio, los invertebrados solo usan

80% de la energía asimilada para el metabolismo y, por lo tanto, exhiben una mayor eficiencia de producción neta (

20%) que los vertebrados. Las plantas tienen las mayores eficiencias de producción neta, que oscilan entre el 30 y el 85%. La razón por la que algunos organismos tienen eficiencias de producción netas tan bajas es que son homeotermos, o animales que mantienen una temperatura corporal interna constante (mamíferos y aves). Esto requiere mucha más energía de la que utilizan poiquilotermos, que también se conocen como organismos de "sangre fría" (todos los invertebrados, algunos vertebrados y todas las plantas, aunque las plantas no tengan "sangre") que no regulan sus temperaturas internamente.

Así como podemos desarrollar nuestra comprensión de un sistema desde el individuo hasta la población y la comunidad, ahora podemos examinar niveles tróficos completos calculando las eficiencias ecológicas. Eficiencia ecológica se define como el suministro de energía disponible para el nivel trófico N + 1, dividido por la energía consumida por el nivel trófico N. Podría pensar en ello como la eficiencia de las liebres para convertir plantas en alimento para zorros. En forma de ecuación para nuestro ejemplo, el eficiencia ecológica = (producción de zorros / producción de liebres). Tenga en cuenta que la eficiencia ecológica es una medida "combinada" que tiene en cuenta tanto la asimilación como la eficiencia de producción neta. También puede combinar diferentes especies de plantas y animales en un solo nivel trófico, y luego examinar la eficiencia ecológica de, por ejemplo, todas las plantas en un campo que se alimentan de todos los diferentes herbívoros, desde insectos hasta vacas.

Pensar en la eficiencia ecológica general de un sistema nos devuelve a nuestra primera regla para la transferencia de energía a través de los niveles tróficos y hacia arriba en la cadena alimentaria. En general, solo alrededor del 10% de la energía consumida por un nivel está disponible para el siguiente. Por ejemplo, si las liebres consumieran 1000 kcal de energía vegetal, solo podrían formar 100 kcal de tejido nuevo de liebre. Para que la población de liebres se mantenga estable (ni en aumento ni en disminución), el consumo anual de liebres por los zorros debe ser aproximadamente igual a la producción anual de nueva biomasa de liebre. Así que los zorros consumen alrededor de 100 kcal de biomasa de liebre y convierten quizás 10 kcal en nueva biomasa de zorro. De hecho, esta eficiencia ecológica es bastante variable, con los homeotermos promediando el 1- 5% y los poiquilotermos promediando el 5-15%. La pérdida total de energía de niveles tróficos inferiores a superiores es importante para establecer el número absoluto de niveles tróficos que puede contener cualquier ecosistema.

A partir de este entendimiento, debería ser obvio que la masa de zorros debe ser menor que la masa de liebres, y la masa de liebres menor que la masa de plantas. Generalmente esto es cierto, y podemos representar este concepto visualmente construyendo una pirámide de biomasa para cualquier ecosistema (ver Figura 3).

Figura 3. Una pirámide de biomasa que muestra productores y consumidores en un ecosistema marino.

Pirámides de biomasa, energía y números

También podríamos construir un pirámide de números, que como su nombre lo indica representa la cantidad de organismos en cada nivel trófico (ver Figura 4 arriba). Para el pastizal que se muestra en la Figura 4 arriba, el nivel inferior sería bastante grande, debido a la enorme cantidad de plantas pequeñas (pastos). Para otros ecosistemas, como el bosque templado, la pirámide de números podría invertirse: por ejemplo, si la comunidad vegetal de un bosque estuviera compuesta solo por un puñado de árboles muy grandes y, sin embargo, hubiera muchos millones de insectos herbívoros que se comieran el material vegetal. .

Al igual que con la pirámide de números invertida, en algunas raras excepciones, podría haber una pirámide de biomasa invertida, donde la biomasa del nivel trófico inferior es menor que la biomasa del siguiente nivel trófico superior. Los océanos son una excepción porque en cualquier momento la cantidad total de biomasa en las algas microscópicas es pequeña. Así, una pirámide de biomasa para los océanos puede aparecer invertida. (vea la Figura 4b en el medio). Ahora debería preguntar "¿cómo puede ser eso?" Si la cantidad de energía en la biomasa en un nivel establece el límite de energía en la biomasa en el siguiente nivel, como fue el caso de las liebres y los zorros, ¿cómo se puede tener menos energía en el nivel trófico inferior? Ésta es una buena pregunta y puede responderse considerando, como discutimos anteriormente, el aspecto más importante del "tiempo". Aunque la biomasa puede ser pequeña, la TASA a la que se produce nueva biomasa puede ser muy grande. Por lo tanto, a lo largo del tiempo, la cantidad de nueva biomasa que se produce, cualquiera que sea el stock de biomasa en pie, es lo que es importante para el siguiente nivel trófico.

Podemos examinar esto más a fondo construyendo un pirámide de energía, que muestra tasas de producción en lugar de cultivos en pie. Una vez hecho esto, la figura del océano tendría la característica forma de pirámide. (vea la Figura 4 en la parte inferior). Las poblaciones de algas pueden duplicarse en unos pocos días, mientras que el zooplancton que se alimenta de ellas se reproduce más lentamente y podría duplicarse en número en unos pocos meses, y los peces que se alimentan de zooplancton solo pueden reproducirse una vez al año. Por lo tanto, una pirámide de energía tiene en cuenta la tasa de rotación de los organismos y nunca se puede invertir. Tenga en cuenta que esta dependencia de un nivel trófico de un nivel trófico inferior para la energía es la razón por la que, como aprendió en las conferencias sobre depredación, los números de población de presas y depredadores están vinculados y por qué varían juntos a lo largo del tiempo (con una compensación).

Figura 4: Pirámides de números, biomasa y energía para varios ecosistemas.

El tiempo de residencia de la energía. Vemos que pensar en las pirámides de energía y el tiempo de rotación es similar a nuestras discusiones sobre el tiempo de residencia de los elementos. Pero aquí estamos hablando del tiempo de residencia de la "energía". El tiempo de residencia de la energía es igual a la energía en biomasa dividida por la productividad neta, Rt = (energía en biomasa / productividad neta). Si calculamos el tiempo de residencia de la energía en los productores primarios de varios ecosistemas, encontramos que los tiempos de residencia oscilan entre 20 y 25 años para los bosques (tanto los bosques lluviosos tropicales como los bosques boreales), hasta

3-5 años para pastizales, y finalmente hasta solo 10-15 días para lagos y océanos. Esta diferencia en el tiempo de residencia entre los ecosistemas acuáticos y terrestres se refleja en las pirámides de biomasa, como se discutió anteriormente, y también es muy importante considerar al analizar cómo estos diferentes ecosistemas responderían a una perturbación, o qué esquema podría usarse mejor para manejar los recursos del ecosistema, o la mejor manera de restaurar un ecosistema que ha sido degradado (por ejemplo, por tormentas o por humanos).

Los seres humanos y el consumo de energía

Entradas: NPP, calculado como cosecha anual. En una planta de cultivo, una central nuclear y la cosecha anual se producen en el mismo año. En los bosques, la cosecha anual puede exceder la NPP anual (por ejemplo, cuando se tala un bosque, la cosecha es de muchos años de crecimiento), pero aún podemos calcular promedios anuales. Tenga en cuenta que las siguientes estimaciones se están revisando sucesivamente en la literatura, pero el enfoque del problema es siempre el mismo.


Ecología de ecosistemas

La vida en un ecosistema a menudo se trata de la competencia por recursos limitados, una característica de la teoría de la selección natural. La competencia en las comunidades (todos los seres vivos dentro de hábitats específicos) se observa tanto dentro de las especies como entre diferentes especies. Los recursos por los que compiten los organismos incluyen material orgánico de organismos vivos o previamente vivos, luz solar y nutrientes minerales, que proporcionan la energía para los procesos vivos y la materia para formar las estructuras físicas de los organismos. Otros factores críticos que influyen en la dinámica de la comunidad son los componentes de su entorno físico y geográfico: la latitud de un hábitat, la cantidad de lluvia, la topografía (elevación) y las especies disponibles. Todas estas son variables ambientales importantes que determinan qué organismos pueden existir dentro de un área en particular.

Un ecosistema es una comunidad de organismos vivos y sus interacciones con su entorno abiótico (no vivo). Los ecosistemas pueden ser pequeños, como los charcos de marea que se encuentran cerca de las costas rocosas de muchos océanos, o grandes, como la selva amazónica de Brasil (Figura 1).

Figura 1. Un (a) ecosistema de charco de marea en la isla Matinicus en Maine es un ecosistema pequeño, mientras que (b) la selva tropical del Amazonas en Brasil es un ecosistema grande. (crédito a: modificación del trabajo de "takomabibelot" / crédito b de Flickr: modificación del trabajo de Ivan Mlinaric)

Los ecosistemas son complejos con muchas partes que interactúan. Están expuestos de forma rutinaria a diversas perturbaciones o cambios en el medio ambiente que afectan su composición: variaciones anuales de las precipitaciones y la temperatura y los procesos más lentos de crecimiento de las plantas, que pueden tardar varios años. Muchas de estas alteraciones son el resultado de procesos naturales. Por ejemplo, cuando un rayo causa un incendio forestal y destruye parte de un ecosistema forestal, el suelo finalmente se llena de pastos, luego de arbustos y arbustos, y más tarde de árboles maduros, restaurando el bosque a su estado anterior. El impacto de las perturbaciones ambientales provocadas por las actividades humanas es tan importante como los cambios provocados por los procesos naturales. Las prácticas agrícolas humanas, la contaminación del aire, la lluvia ácida, la deforestación global, la sobrepesca, la eutrofización, los derrames de petróleo y los vertidos ilegales en tierra y en el océano son temas que preocupan a los conservacionistas.

Equilibrio es el estado estable de un ecosistema donde todos los organismos están en equilibrio con su entorno y entre sí. En ecología, se utilizan dos parámetros para medir los cambios en los ecosistemas: resistencia y resiliencia. La capacidad de un ecosistema de permanecer en equilibrio a pesar de las perturbaciones se denomina resistencia. La velocidad a la que un ecosistema recupera el equilibrio después de ser perturbado, llamada su Resiliencia. La resistencia y resiliencia de los ecosistemas son especialmente importantes cuando se considera el impacto humano. La naturaleza de un ecosistema puede cambiar hasta tal punto que puede perder su capacidad de recuperación por completo. Este proceso puede conducir a la destrucción total o alteración irreversible del ecosistema.

Espinoso de tres espinas

Está bien establecido por la teoría de la selección natural que los cambios en el medio ambiente juegan un papel importante en la evolución de las especies dentro de un ecosistema. Sin embargo, se sabe poco sobre cómo la evolución de las especies dentro de un ecosistema puede alterar el entorno del ecosistema. En 2009, el Dr. Luke Harmon, de la Universidad de Idaho en Moscú, publicó un artículo que mostraba por primera vez que la evolución de organismos en subespecies puede tener efectos directos en el entorno de su ecosistema.

Figura 2. El espinoso de tres espinas evolucionó de un pez de agua salada a un pez de agua dulce. (crédito: Barrett Paul, USFWS)

El espinoso de tres espinas (Gasterosteus aculeatus) es un pez de agua dulce que evolucionó de un pez de agua salada a vivir en lagos de agua dulce hace unos 10.000 años, lo que se considera un desarrollo reciente en el tiempo evolutivo. Durante los últimos 10.000 años, estos peces de agua dulce se aislaron unos de otros en diferentes lagos. Dependiendo de qué población del lago se estudió, los hallazgos mostraron que estos espinosos permanecieron como una especie o evolucionaron en dos especies. La divergencia de especies fue posible gracias al uso de diferentes áreas del estanque para alimentarse llamadas micro nichos.

El Dr. Harmon y su equipo crearon microcosmos de estanques artificiales en tanques de 250 galones y agregaron estiércol de estanques de agua dulce como fuente de zooplancton y otros invertebrados para sustentar a los peces. En diferentes tanques experimentales introdujeron una especie de espinoso de un lago de una sola especie o de dos especies.

Con el tiempo, el equipo observó que algunos de los tanques florecían con algas mientras que otros no. Esto desconcertó a los científicos, y decidieron medir el carbono orgánico disuelto (DOC) del agua, que consiste en su mayoría en grandes moléculas de materia orgánica en descomposición que le dan al agua del estanque su color ligeramente parduzco. Resultó que el agua de los tanques con peces de dos especies contenía partículas más grandes de DOC (y, por lo tanto, agua más oscura) que el agua con peces de una sola especie. Este aumento de DOC bloqueó la luz solar y evitó la floración de algas. Por el contrario, el agua del tanque de una sola especie contenía partículas de DOC más pequeñas, lo que permitió una mayor penetración de la luz solar para alimentar las floraciones de algas.

Este cambio en el medio ambiente, que se debe a los diferentes hábitos alimenticios de las especies de espinosos en cada tipo de lago, probablemente tenga un gran impacto en la supervivencia de otras especies en estos ecosistemas, especialmente otros organismos fotosintéticos. Así, el estudio muestra que, al menos en estos ecosistemas, el medio ambiente y la evolución de las poblaciones tienen efectos recíprocos que ahora pueden incluirse en modelos de simulación.

Investigación sobre la dinámica de los ecosistemas

El estudio de los cambios en la estructura del ecosistema provocados por cambios en el medio ambiente (perturbaciones) o por fuerzas internas se denomina dinámica del ecosistema. Los ecosistemas se caracterizan utilizando una variedad de metodologías de investigación. Algunos ecólogos estudian los ecosistemas utilizando sistemas experimentales controlados, mientras que algunos estudian ecosistemas enteros en su estado natural y otros utilizan ambos enfoques.

A modelo de ecosistema holístico intenta cuantificar la composición, interacción y dinámica de ecosistemas enteros es el más representativo del ecosistema en su estado natural. Una red alimentaria es un ejemplo de un modelo de ecosistema holístico. Sin embargo, este tipo de estudio está limitado por el tiempo y los gastos, así como por el hecho de que no es factible ni ético realizar experimentos en grandes ecosistemas naturales. Cuantificar todas las especies diferentes en un ecosistema y la dinámica en su hábitat es difícil, especialmente cuando se estudian hábitats grandes como la selva amazónica, que cubre 1.4 mil millones de acres (5.5 millones de km 2) de la superficie de la Tierra.

Por estas razones, los científicos estudian los ecosistemas en condiciones más controladas. Los sistemas experimentales generalmente implican dividir una parte de un ecosistema natural que se puede usar para experimentos, lo que se denomina un mesocosmo, o recreando un ecosistema completamente en un entorno de laboratorio interior o exterior, lo que se conoce como un microcosmo. Una limitación importante de estos enfoques es que eliminar organismos individuales de su ecosistema natural o alterar un ecosistema natural mediante la partición puede cambiar la dinámica del ecosistema. Estos cambios a menudo se deben a diferencias en el número y diversidad de especies y también a alteraciones ambientales causadas por la división (mesocosmos) o la recreación (microcosmos) del hábitat natural. Por lo tanto, este tipo de experimentos no son totalmente predictivos de los cambios que ocurrirían en el ecosistema del que se obtuvieron.

Como ambos enfoques tienen sus limitaciones, algunos ecologistas sugieren que los resultados de estos sistemas experimentales deben usarse solo junto con estudios de ecosistemas holísticos para obtener los datos más representativos sobre la estructura, función y dinámica del ecosistema.

Los científicos utilizan los datos generados por estos estudios experimentales para desarrollar modelos de ecosistemas que demuestran la estructura y dinámica de los ecosistemas. Tres tipos básicos de modelado de ecosistemas se utilizan habitualmente en la investigación y la gestión de ecosistemas: un modelo conceptual, un modelo analítico y un modelo de simulación. A modelo conceptual es un modelo de ecosistema que consta de diagramas de flujo para mostrar las interacciones de diferentes compartimentos de los componentes vivos y no vivos del ecosistema. Un modelo conceptual describe la estructura y la dinámica del ecosistema y muestra cómo las perturbaciones ambientales afectan al ecosistema; sin embargo, su capacidad para predecir los efectos de estas perturbaciones es limitada. Los modelos analíticos y de simulación, por el contrario, son métodos matemáticos para describir ecosistemas que de hecho son capaces de predecir los efectos de posibles cambios ambientales sin experimentación directa, aunque con algunas limitaciones en cuanto a precisión. Un modelo analítico es un modelo de ecosistema que se crea utilizando fórmulas matemáticas simples para predecir los efectos de las perturbaciones ambientales en la estructura y la dinámica del ecosistema. A modelo de simulación es un modelo de ecosistema que se crea utilizando complejos algoritmos informáticos para modelar de manera integral los ecosistemas y predecir los efectos de las perturbaciones ambientales en la estructura y la dinámica de los ecosistemas. Idealmente, estos modelos son lo suficientemente precisos para determinar qué componentes del ecosistema son particularmente sensibles a las perturbaciones, y pueden servir como una guía para los administradores de ecosistemas (como los ecologistas de la conservación o los biólogos pesqueros) en el mantenimiento práctico de la salud del ecosistema.

Modelos conceptuales

Los modelos conceptuales son útiles para describir la estructura y la dinámica de los ecosistemas y para demostrar las relaciones entre los diferentes organismos de una comunidad y su entorno. Los modelos conceptuales generalmente se representan gráficamente como diagramas de flujo. Los organismos y sus recursos se agrupan en compartimentos específicos con flechas que muestran la relación y transferencia de energía o nutrientes entre ellos. Por lo tanto, estos diagramas a veces se denominan modelos de compartimentos.

Para modelar el ciclo de los nutrientes minerales, los nutrientes orgánicos e inorgánicos se subdividen en aquellos que están biodisponibles (listos para ser incorporados en macromoléculas biológicas) y aquellos que no lo están. Por ejemplo, en un ecosistema terrestre cerca de un depósito de carbón, el carbono estará disponible para las plantas de este ecosistema como gas de dióxido de carbono en un período de corto plazo, no a partir del carbón rico en carbono en sí. Sin embargo, durante un período más largo, los microorganismos capaces de digerir el carbón incorporarán su carbono o lo liberarán como gas natural (metano, CH4), cambiando esta fuente orgánica no disponible en una disponible. Esta conversión se acelera en gran medida por la combustión de combustibles fósiles por parte de los humanos, que libera grandes cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera. Se cree que este es un factor importante en el aumento de los niveles de dióxido de carbono atmosférico en la era industrial. El dióxido de carbono liberado por la quema de combustibles fósiles se produce más rápido de lo que los organismos fotosintéticos pueden usarlo. Este proceso se intensifica con la reducción de árboles fotosintéticos debido a la deforestación mundial. La mayoría de los científicos están de acuerdo en que el dióxido de carbono atmosférico elevado es una de las principales causas del cambio climático global.

Modelos analíticos y de simulación

La principal limitación de los modelos conceptuales es su incapacidad para predecir las consecuencias de los cambios en las especies de los ecosistemas y / o el medio ambiente. Los ecosistemas son entidades dinámicas y están sujetos a una variedad de perturbaciones abióticas y bióticas causadas por fuerzas naturales y / o actividad humana. Los ecosistemas alterados de su estado de equilibrio inicial a menudo pueden recuperarse de tales perturbaciones y volver a un estado de equilibrio. Como la mayoría de los ecosistemas están sujetos a perturbaciones periódicas y, a menudo, se encuentran en un estado de cambio, por lo general se están moviendo hacia o alejándose de su estado de equilibrio. Hay muchos de estos estados de equilibrio entre los diversos componentes de un ecosistema, lo que afecta al ecosistema en general. Además, como los seres humanos tienen la capacidad de alterar grande y rápidamente el contenido de especies y el hábitat de un ecosistema, la necesidad de modelos predictivos que permitan comprender cómo responden los ecosistemas a estos cambios se vuelve más crucial.

Los modelos analíticos a menudo utilizan componentes simples y lineales de los ecosistemas, como las cadenas alimentarias, y se sabe que son matemáticamente complejos, por lo que requieren una cantidad significativa de conocimientos y experiencia matemáticos. Aunque los modelos analíticos tienen un gran potencial, se cree que su simplificación de ecosistemas complejos limita su precisión. Los modelos de simulación que utilizan programas de computadora son más capaces de lidiar con las complejidades de la estructura del ecosistema.

Un desarrollo reciente en el modelado de simulación utiliza supercomputadoras para crear y ejecutar simulaciones individuales, lo que explica el comportamiento de organismos individuales y sus efectos en el ecosistema en su conjunto. Estas simulaciones se consideran las más precisas y predictivas de las complejas respuestas de los ecosistemas a las perturbaciones.


La transferencia de energía dentro de una cadena alimentaria: ¿Por qué las ballenas grandes se alimentan de plancton pequeño?

La regla del diez por ciento hacia la transferencia de energía entre los niveles de un sistema trófico es una que se ha utilizado para estudiar la dinámica energética de los ecosistemas durante mucho tiempo. Pero, para comprenderlo, es necesario tener un conocimiento básico de la cadena alimentaria (Figura 1). Las cadenas alimenticias describen la transferencia de energía desde su fuente en plantas, a través de herbívoros, hasta carnívoros y depredadores de orden superior (Sinclair et al. 2003). Estos diferentes "niveles" se conocen como niveles tróficos, que se definen correctamente como la posición dentro de la cadena alimentaria o pirámide de energía en la que se puede encontrar un organismo. Pero, ¿cuánta energía se transmite a lo largo de cada nivel? Aquí es donde entra la regla del diez por ciento.

Figura 1: Un ejemplo de cadena alimentaria. El primer nivel trófico consiste en que los productores primarios recolectan energía del sol, que se transmitirá a los herbívoros, luego a múltiples niveles de carnívoros (fuente: nau.edu).

Las redes alimentarias suelen ser bastante cortas, lo que confundió a muchos científicos durante mucho tiempo. ¿Alguna vez se preguntó por qué una ballena tan grande se alimenta de organismos planctónicos tan pequeños, como el krill? La evidencia de la ventaja evolutiva de esta estrategia se encuentra dentro de la definición de la regla del diez por ciento. Cuando la energía se transmite a lo largo de un ecosistema de un nivel trófico al siguiente, solo el 10% de la energía que recibe el primer organismo se transmitirá realmente. La forma de estudiar este fenómeno ciertamente ha presentado sus dificultades, ya que es claramente imposible visualizar realmente la transferencia de energía. Sin embargo, el medio principal para determinar qué comen los organismos marinos es estudiar el contenido de su estómago, que es exactamente lo que Reilly et al. 2004 lo hizo.

Se sabía que la Comisión Ballenera Internacional (CBI) junto con la Comisión para la Conservación de los Recursos Vivos Marinos Antárticos (CCRVMA) compartían una curiosidad común por la idea de la ecología de alimentación de las ballenas barbadas. Esto se debió significativamente a sus intereses en los esfuerzos por ubicar las decisiones de manejo dentro de un contexto de ecosistema (Reilly et al. 2004). La forma más eficiente para ellos de determinar sus fuentes de presa era estimar el consumo de krill de varias especies de ballenas barbadas en la región del Atlántico Sur durante la temporada de alimentación de verano en el año 2000. Para sacar con éxito estas estimaciones, se tuvieron que hacer inferencias en relación con la frecuencia con la que las ballenas se llenaban el estómago. Esto incluyó el cambio diurno en la masa del contenido de estómago de bosque, que terminó produciendo estimaciones de 3.2-3.5% del peso corporal por día (Figura 2) (Reilly et al. 2004). Para continuar con las pruebas de energía, cuatro barcos participaron en la encuesta para pesar el contenido del estómago de las ballenas que, lamentablemente, fueron sacrificadas para la caza comercial o de investigación.

Figura 2: Tasas de consumo diario determinadas por los cuatro modelos pertenecientes a varias ballenas barbadas (Jorobada, Aleta, Derecha, Sei y Azul) (Reilly et al. 2004).

En total, se registraron 730 avistamientos de cetáceos que incluyeron 1,753 individuos separados. Se determinó que el 83% de la ingesta energética anual de las ballenas en esta región ocurrió durante este
Período de alimentación de 120 días en la temporada de verano. El rango de consumo total fue del 4-6% del permanente.
stock de krill (Reilly et al. 2004). Este porcentaje se derivó del hecho de que la población inicial incluía aproximadamente 44 millones de toneladas de krill, de las cuales las ballenas consumieron entre 1,6 millones y 2,7 ​​millones de toneladas (Reilly et al. 2004). Estos números permitieron a los científicos establecer conexiones entre los alimentos consumidos y la cantidad total de energía que una ballena necesita para llevar a cabo las funciones corporales diarias para sobrevivir. También les permitió sacar conclusiones basadas en dónde se alimentan para proteger mejor a los animales amenazados, así como ajustar las cotizaciones establecidas para la explotación comercial del krill, ya que es su principal fuente de alimento.

Con todo esto en mente, es posible que todavía no tenga sentido por qué un animal tan grande se alimentaría de algunos de los organismos más pequeños del océano. Ballenas azules, que pueden ser de 20 a 30 metros de largo, se alimentan de krill parecido al camarón que pesan solo 2-3 centimetros largo. Como se indicó anteriormente, solo el diez por ciento de la energía obtenida de un nivel trófico pasa al siguiente nivel trófico. Por esta razón, se ha demostrado que los ecosistemas con cadenas alimentarias más largas son, en ocasiones, menos estables que aquellos cuyas cadenas alimentarias son más cortas (Sinclair et al. 2003). Por lo tanto, es más ventajoso para la ballena comer animales en un nivel trófico en el que hay más energía disponible para ser absorbida. Hill et al. Libro de texto de 2018 Fisiología animal describe este concepto con más profundidad. En él, contrastan dos posibles mecanismos diferentes por los que una ballena puede obtener alimento. Una es que la ballena coma peces algo más pequeños que ellos. Estos peces pueden potencialmente comer peces que son un poco más pequeños que ellos, y así sucesivamente. En este caso, hay muchos niveles tróficos por los que la energía tendrá que atravesar antes de llegar a la ballena. Para aplicar la regla del diez por ciento directamente, podemos decir que el productor primario produce 10,000 unidades de energía obtenidas del sol. Los crustáceos que se alimentan del productor generarán 1.000 unidades de energía, de las cuales el pequeño pez que se alimenta de ellos producirá solo 100 unidades de energía. El pez más grande que se alimenta de este pez producirá solo 1 unidad de energía, lo que puede no ser suficiente para sostener a la ballena grande. Esta es la razón por la que las ballenas barbadas han evolucionado evolutivamente hasta convertirse en comederos en suspensión, utilizando placas de barba para absorber grandes cantidades de agua y tamizar para encontrar krill pequeño. Las ballenas barbadas pueden comer organismos mucho más pequeños que ellos mismos, lo que puede reducir los niveles tróficos entre el productor primario y la ballena misma, haciendo que la energía esté disponible para la población de ballenas 1,000 unidades, en lugar de solo 1. En resumen, acortando la cadena alimentaria A su vez, aumentará la energía alimentaria disponible para las ballenas en un factor de 1000 (Figura 3) (Hill et al.2018).

Figura 3: Las cadenas alimenticias más cortas agotan la energía disponible para las ballenas menos que las cadenas alimenticias más largas. (Hill et al.2018).

Al comprender mejor la forma en que las ballenas, o cualquier animal, obtienen energía a través de los alimentos, podemos implementar nuevas metodologías para protegerlas mejor. Por ejemplo, ahora que se sabe que el krill juega un papel extremadamente importante en la supervivencia de la ballena azul, las agencias pueden implementar nuevas estrategias de manejo ecológico para asegurarse de que las poblaciones de krill no se vean afectadas significativamente por impactos antropogénicos. Pueden parecer criaturas invisibles flotando en el océano, pero para las ballenas barbadas significan mucho más.

Hill, Richard W. y col. 2018. Fisiología animal. Asociados de Sinauer / Prensa de la Universidad de Oxford. Nau.edu. "La vida en la cadena alimentaria". La cadena de comida.

Reilly, S., Hedley, S., Borberg, J., Hewitt, R., Thiele, D., Watkins, J. y Naganobu, M., 2004. Transferencia de biomasa y energía a ballenas barbadas en el sector del Atlántico sur de el Océano Austral. Investigación en aguas profundas Parte II: Estudios tópicos en oceanografía, 51(12-13): 1397-1409.

Sinclair, Michael y G. Valdimarsson. 2003. Pesca responsable en el ecosistema marino. Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación 8: 125-131.


El flujo de energía: niveles tróficos superiores

La mayoría de ustedes ahora están familiarizados con el concepto de nivel trópico (ver figura 1). Es simplemente un nivel de alimentación, como a menudo se representa en una cadena alimentaria o red alimentaria. Los productores primarios comprenden el nivel trófico inferior, seguidos por los consumidores primarios (herbívoros), luego los consumidores secundarios (carnívoros que se alimentan de herbívoros), etc. Cuando hablamos de "ascender" en la cadena alimentaria, estamos hablando en sentido figurado y queremos decir que pasamos de plantas a herbívoros a carnívoros. Esto no tiene en cuenta los descomponedores y detritívoros (organismos que se alimentan de materia orgánica muerta), que forman sus propias vías tróficas de gran importancia.

La transferencia de energía a niveles tróficos superiores

En el proceso, se realiza el trabajo metabólico y la energía de los enlaces químicos se convierte en energía térmica. Si no se consumiera NPP, se acumularía en alguna parte. Por lo general, esto no sucede, pero durante períodos de la historia de la tierra como el Carbonífero y el Pensilvania, se acumularon enormes cantidades de NPP en exceso del consumo en los pantanos. Fue enterrado y comprimido para formar los depósitos de carbón y petróleo que extraemos hoy. Cuando quemamos estos depósitos (la misma reacción química que la anterior excepto que se produce una mayor energía) liberamos la energía para impulsar las máquinas de la industria, y por supuesto el CO2 pasa a la atmósfera como gas de efecto invernadero. Esta es la situación que tenemos hoy, donde el exceso de CO2 de la quema de estos depósitos (más allá del exceso de NPP) va a la atmósfera y se acumula con el tiempo.

  • Solo una fracción de la energía disponible en un nivel trófico se transfiere al siguiente nivel trófico.La regla general es del 10%, pero esto es muy aproximado.
  • Normalmente, el número y la biomasa de organismos disminuyen a medida que uno asciende en la cadena alimentaria.

Un ejemplo: el zorro y la liebre


Una liebre (o una población de liebres) ingiere materia vegetal que llamaremos esto ingestión. Parte de este material es procesado por el sistema digestivo y se utiliza para producir nuevas células o tejidos, y esta parte se llama asimilación. Lo que no se puede asimilar, por ejemplo, tal vez algunas partes de los tallos o raíces de la planta, sale del cuerpo de la liebre y esto se llama excreción. Así podemos hacer la siguiente definición: Asimilación = (Ingestión - Excreción). La eficiencia de este proceso de asimilación varía en los animales, oscilando entre el 15 y el 50% si el alimento es material vegetal, y entre el 60 y el 90% si el alimento es material animal.

La liebre usa una fracción significativa de la energía asimilada simplemente siendo una liebre, manteniendo una temperatura corporal alta y constante, sintetizando proteínas y saltando. Esta energía utilizada (perdida) se atribuye a la respiración celular. El resto se destina a producir más biomasa de liebres por crecimiento y reproducción. La conversión de energía asimilada en tejido nuevo se denomina producción secundaria en los consumidores, y es conceptualmente lo mismo que la producción primaria o NPP de las plantas. En nuestro ejemplo, la producción secundaria de la liebre es la energía disponible para los zorros que se comen las liebres para satisfacer sus necesidades. Claramente, debido a todos los costos de energía de las liebres involucradas en actividades metabólicas normales, la energía disponible para los zorros es mucho menor que la energía disponible para las liebres.

Así como calculamos la eficiencia de asimilación anterior, también podemos calcular la eficiencia de producción neta para cualquier organismo. Esta eficiencia es igual a la producción dividida por la asimilación para los animales, o el NPP dividido por el GPP para las plantas. La "producción" aquí se refiere al crecimiento más la reproducción. En forma de ecuación, tenemos eficiencia de producción neta = (producción / asimilación), o para plantas = (NPP / GPP). Estas proporciones miden la eficiencia con la que un organismo convierte la energía asimilada en producción primaria o secundaria.

Estas eficiencias varían entre organismos, en gran parte debido a requisitos metabólicos muy diferentes. Por ejemplo, en promedio, los vertebrados usan alrededor del 98% de la energía asimilada para el metabolismo, dejando solo el 2% para el crecimiento y la reproducción. En promedio, los invertebrados solo usan

80% de la energía asimilada para el metabolismo y, por lo tanto, exhiben una mayor eficiencia de producción neta (

20%) que los vertebrados. Las plantas tienen las mayores eficiencias de producción neta, que oscilan entre el 30 y el 85%. La razón por la que algunos organismos tienen eficiencias de producción netas tan bajas es que son homeotermos, o animales que mantienen una temperatura corporal interna constante. Esto requiere mucha más energía de la que utilizan poiquilotermos, que son organismos que no regulan sus temperaturas internamente.

Así como podemos desarrollar nuestra comprensión de un sistema desde el individuo hasta la población y la comunidad, ahora podemos examinar niveles tróficos completos calculando las eficiencias ecológicas. Eficiencia ecológica se define como el suministro de energía disponible para el nivel trófico N + 1, dividido por la energía consumida por el nivel trófico N. Podría pensar en ello como la eficiencia de las liebres para convertir plantas en alimento para zorros. En forma de ecuación para nuestro ejemplo, el eficiencia ecológica = (producción de zorros / producción de liebres).

Pensar en la eficiencia ecológica nos devuelve a nuestra primera regla para la transferencia de energía a través de los niveles tróficos y hacia arriba en la cadena alimentaria. En general, solo alrededor del 10% de la energía consumida por un nivel está disponible para el siguiente. Por ejemplo, si las liebres consumieran 1000 kcal de energía vegetal, solo podrían formar 100 kcal de tejido nuevo de liebre. Para que la población de liebres se mantenga estable (ni en aumento ni en disminución), el consumo anual de liebres por parte de los zorros debe ser aproximadamente igual a la producción anual de nueva biomasa de liebre. Así que los zorros consumen alrededor de 100 kcal de biomasa de liebre y convierten quizás 10 kcal en nueva biomasa de zorro. De hecho, esta eficiencia ecológica es bastante variable, con los homeotermos promediando el 1- 5% y los poiquilotermos promediando el 5-15%. La pérdida total de energía de niveles tróficos inferiores a superiores es importante para establecer el número absoluto de niveles tróficos que puede contener cualquier ecosistema.

A partir de este entendimiento, debería ser obvio que la masa de zorros debe ser menor que la masa de liebres, y la masa de liebres menor que la masa de plantas. Generalmente esto es cierto, y podemos representar este concepto visualmente construyendo una pirámide de biomasa para cualquier ecosistema (ver Figura 3).

Figura 3. Una pirámide de biomasa que muestra productores y consumidores.

Pirámides de biomasa, energía y números

También podríamos construir un pirámide de números, que como su nombre lo indica representa la cantidad de organismos en cada nivel trófico (vea la Figura 4a). Para los océanos, como se muestra en la Figura 4, el nivel del fondo sería bastante grande, debido a la enorme cantidad de algas pequeñas. Para otros ecosistemas, la pirámide de números podría invertirse: por ejemplo, si la comunidad vegetal de un bosque estuviera compuesta solo por un puñado de árboles muy grandes y, sin embargo, hubiera muchos millones de herbívoros que se comieran el material vegetal.

Al igual que con la pirámide de números invertida, en algunas raras excepciones, podría haber una pirámide de biomasa invertida, donde la biomasa del nivel trófico inferior es menor que la biomasa del siguiente nivel trófico superior. Los océanos son una excepción porque en cualquier momento la cantidad total de biomasa en las algas microscópicas es pequeña. Así, una pirámide de biomasa para los océanos puede aparecer invertida. (vea la Figura 4b). Ahora debería preguntar "¿cómo puede ser eso?" Si la cantidad de energía en la biomasa en un nivel establece el límite de energía en la biomasa en el siguiente nivel, como fue el caso de las liebres y los zorros, ¿cómo se puede tener menos energía en el nivel trófico inferior? Ésta es una buena pregunta y puede responderse considerando, como discutimos en la última conferencia, el aspecto más importante del "tiempo". Aunque la biomasa puede ser pequeña, la TASA a la que se produce nueva biomasa puede ser muy grande. Por lo tanto, a lo largo del tiempo, la cantidad de nueva biomasa que se produce, cualquiera que sea el stock de biomasa en pie, es importante para el siguiente nivel trófico.

Podemos examinar esto más a fondo construyendo un pirámide de energía, que muestra tasas de producción en lugar de cultivos en pie. Una vez hecho esto, la figura del océano tendría la característica forma de pirámide. (vea la Figura 4c). Las poblaciones de algas pueden duplicarse en unos pocos días, mientras que el zooplancton que se alimenta de ellas se reproduce más lentamente y podría duplicarse en número en unos pocos meses, y los peces que se alimentan de zooplancton solo pueden reproducirse una vez al año. Por lo tanto, una pirámide de energía tiene en cuenta la tasa de rotación de los organismos y nunca se puede invertir.

Figura 4: Pirámides de números, biomasa y energía para los océanos.

Vemos que pensar en las pirámides de energía y el tiempo de rotación es similar a nuestras discusiones sobre el tiempo de residencia de los elementos. Pero aquí estamos hablando del tiempo de residencia de la "energía". El tiempo de residencia de la energía es igual a la energía en biomasa dividida por la productividad neta, Rt = (energía en biomasa / productividad neta). Si calculamos el tiempo de residencia de la energía en los productores primarios de varios ecosistemas, encontramos que los tiempos de residencia oscilan entre 20 y 25 años para los bosques (tanto los bosques lluviosos tropicales como los bosques boreales), hasta

3-5 años para pastizales, y finalmente hasta solo 10-15 días para lagos y océanos. Esta diferencia en el tiempo de residencia entre los ecosistemas acuáticos y terrestres se refleja en las pirámides de biomasa, como se discutió anteriormente, y también es muy importante considerar al analizar cómo estos diferentes ecosistemas responderían a una perturbación o qué esquema podría usarse mejor para manejar el problema. recursos del ecosistema.

Los seres humanos y el consumo de energía

Podemos comenzar mirando las Entradas y Salidas:

  1. Cuánto NPP los humanos usan directamente, como alimento, combustible, fibra, madera. Esto da un estimación baja de la apropiación humana de la central nuclear.
  2. Productividad total de tierras dedicadas íntegramente a actividades humanas. Esto incluye la central nuclear total de tierras de cultivo y también la energía consumida al provocar incendios para despejar la tierra. Esto da un estimación media.
  3. A estimación alta se obtiene al incluir la capacidad productiva perdida resultante de la conversión de terrenos abiertos en ciudades, bosques en pastizales, y debido a la desertificación y otros usos excesivos de la tierra. Esta es una estimación del impacto humano total sobre la productividad terrestre.
    Unidades: Usaremos el Pg o Pedagrama de materia orgánica (= 10 15 g, = 10 9 toneladas métricas, = 1 "gigatonelada") (1 tonelada métrica = 1,000 kg).


La Tabla 1 proporciona estimaciones de la NPP total del mundo. Existe la posibilidad de que la NPP subterránea esté subestimada y, del mismo modo, la NPP marina puede estar subestimada porque no se conoce bien la contribución de las células de plancton más pequeñas. Total = 224,5 Pg
tabla 1: Superficie por tipo de cobertura y total
(de Atjay et al. 1979 y De Vooys 1979).

Tipo de ecosistema Área de superficie
(x 10 6 km 2)
CN
(Pág)
bosque 31 48.7
Bosques, pastizales y sabanas 37 52.1
Desiertos 30 3.1
Ártico-alpino 25 2.1
Tierra cultivada 16 15.0
Área humana 2 0.4
Otros terrestres
(chapparral, turberas, pantanos, marismas)
6 10.7
Subtotal terrestre 147 132.1
Lagos y arroyos 2 0.8
Marina 361 91.6
Subtotal acuático 363 93.4
Total 510 224.5

1. El cálculo mínimo: (consulte la Tabla 2)

(a) Material vegetal consumido directamente = 5 mil millones de personas X 2500 kcal / persona / día X 0.2 (para convertir kcal - materia orgánica) = 0.91 Pg materia orgánica. Si asumimos que el 17% de estas calorías provienen de productos animales, los humanos consumimos directamente 0,76 µg de materia vegetal. La estimación de la cosecha humana de cereales y otros cultivos de plantas es de 1,15 pg al año. Esto implica pérdida, deterioro o desperdicio de 0.39 Pg, o el 34% de la cosecha total.

(B) Consumo por ganado: las estimaciones oscilan entre 2,8 y 5 Pg, y parece haber cierta incertidumbre aquí. Nuestra estimación baja utiliza 2,2 Pg.

(C) Bosques: La cosecha de madera para construcción y fibra es bien conocida. La cantidad utilizada para leña, especialmente en los trópicos, no lo es. La tabla da una estimación baja.

(D) Cosecha de pescado: 0,075 µg de peso húmedo = 0,02 µg de peso seco Si asumimos que el pescado promedio es dos transferencias tróficas (@ 10% cada una) por encima de los productores primarios, el NPP para producir esos peces fue de 2 Pg al año.

Total: Los seres humanos consumen 7,2 µg de materia orgánica directamente cada año. Esto es aproximadamente el 3% de la NPP anual total de la biosfera.

2. El Cálculo Intermedio: (Ver Tabla 3)

Sumamos al cálculo bajo la cantidad de NPP cooptada por los humanos. Este es:

(a) Todas las centrales nucleares agrícolas

(b) Todos los pastizales que se convirtieron a partir de otros tipos de ecosistemas, las centrales nucleares consumidas por el ganado en las tierras de pastoreo natural y los incendios provocados por el hombre.

(c) Varios usos de la tierra forestal

(d) Áreas ocupadas por humanos, incluidos jardines, parques, campos de golf, etc.

El total es 42,6 Pg de NPP por año, o el 19% de NPP mundial.

Tabla 3:Cálculo intermedio de NPP cooptado por humanos

Fuente CN
Cooptado
(Pág)
Tierra cultivada 15.0
Tierras de pastoreo :
Pastizales convertidos
Consumido en pastizales naturales
Quemado en pastizales naturales
Total parcial

9.8
0.8
1.0
11.6
Tierras forestales :
Muerto durante la cosecha, no utilizado
Agricultura migratoria
Desbroce de tierras
Productividad de las plantaciones forestales
Cosechas forestales
Total parcial

1.3
6.1
2.4
1.6
2.2
13.6
Zonas ocupadas por humanos 0.4
SUBTOTAL TERRESTRE 40.6
Ecosistemas acuáticos 2.0
TOTAL 42.6
Porcentaje de terrestres cooptados
(40.6/132.1)
30.7
Porcentaje de acuáticos cooptados
(2.0/92.4)
2.2

3. El cálculo alto: (ver tabla 4)

Para la estimación alta, ahora incluimos tanto la central nuclear cooptada como la central nuclear potencial perdida como consecuencia de las actividades humanas:

(a) Es probable que las tierras de cultivo sean menos productivas que los sistemas naturales que reemplazan. Si usamos estimaciones de producción de pastizales de sabana, parece que la producción de tierras de cultivo es menor en 9 Pg.

(B) Conversión de bosques en pastos: los aproximadamente 7 millones de km 2 de bosque convertidos en pastos representan una pérdida de 1,4 Pg.

(C) Uso excesivo: Unos 35 millones de km 2 de tierra se han vuelto más áridos y menos productivos como resultado del uso excesivo por parte del hombre, unos 15 millones de km 2 de forma severa. Utilizando estimaciones de NPP de la sabana seca, la NPP global se ha reducido en 4,5 Pg.

(D) Conversión de tierras: Suponiendo que los 2 millones de km 2 de tierra en ciudades, carreteras, etc. tuvieran una productividad equivalente a la de los bosques naturales, se renuncia a 2,6 Pg de NPP.


los total para la estimación alta es 58,1 Pg de NPP usado, cooptado o perdido. También debemos agregar el NPP potencial al NPP estimado mundial antes de calcular la fracción apropiada por los humanos. Esto nos da 58,1 / 149,6, o casi 40% de la producción terrestre potencial (alrededor del 25% de la producción terrestre + acuática). Advertencia: estas estimaciones se basan en los mejores datos disponibles y son aproximadas. Probablemente den el orden de magnitud correcto.

Cuadro 4: Cálculo alto de NPP cooptado por humanos.
Adiciones a la Tabla 3 de procesos que cooptan o degradan las centrales nucleares.

Proceso Monto
(Pág)
Total terrestre anterior (Tabla 3) 40.6
Reducción de NPP en agricultura 9
Conversión de bosque en pastos 1.4
Desertificación 4.5
Pérdida de áreas humanas 2.6
Total terrestre 58.1
Porcentaje de terrestres cooptados o perdidos
(58.1/149.8)
38.8
Porcentaje de terrestres más acuáticos cooptados
o perdido [60,1 / (149,8 + 92,4)]
24.8

¿Qué podemos concluir del análisis anterior del destino de la producción primaria neta en nuestro mundo?

(a) El uso humano de la productividad marina es relativamente pequeño. Además, aunque las principales poblaciones de peces están fuertemente explotadas y muchas zonas costeras están gravemente contaminadas, el impacto humano en los mares es menor que en la tierra.

(b) En tierra, una especie, Homo sapiens, controla alrededor del 40% de la central nuclear terrestre total. Probablemente esto nunca haya ocurrido antes en la historia de la tierra.

(c) Hay muchas consecuencias de esta cooptación de las centrales nucleares por parte de los seres humanos. Las consecuencias incluyen la degradación ambiental, la extinción de especies y la alteración del clima.

(d) La "capacidad de carga" humana en la Tierra es difícil de estimar, porque depende de la afluencia de una población y de la tecnología que la sustenta. Pero con los niveles actuales de riqueza y tecnología, una población de 50 a 100% más grande que la que tenemos hoy impulsaría nuestro uso de CN terrestre a más del 50% de la producción disponible, y la consiguiente degradación de los ecosistemas en la tierra (por ejemplo, aire y contaminación del agua) sería motivo de gran preocupación. Por tanto, los límites del crecimiento descontrolado deben estar muy cerca. Observe que cuanto más abajo nos "alimentamos" de la cadena trófica, más eficiente se vuelve la red de la vida: comer animales que comen animales que comen plantas es un uso muy ineficiente de la energía solar.

Ahora que hemos aprendido algo sobre cómo se combinan los ecosistemas y cómo fluyen los materiales y la energía a través de los ecosistemas, podemos abordar mejor la pregunta de "¿qué controla la función del ecosistema"? Hay dos teorías dominantes sobre el control de los ecosistemas. El primero, llamado control de abajo hacia arriba, afirma que es el suministro de nutrientes a los productores primarios lo que en última instancia controla el funcionamiento de los ecosistemas. Si se aumenta el suministro de nutrientes, el aumento resultante en la producción de autótrofos se propaga a través de la red trófica y todos los demás niveles tróficos responderán a la mayor disponibilidad de alimentos (la energía y los materiales tendrán un ciclo más rápido).

La segunda teoría, llamada control de arriba hacia abajo, establece que la depredación y el pastoreo por niveles tróficos más altos en niveles tróficos más bajos finalmente controlan la función del ecosistema. Por ejemplo, si hay un aumento en los depredadores, ese aumento resultará en menos pastores, y esa disminución en los pastores resultará a su vez en más productores primarios porque los pastores comen menos de ellos. Por lo tanto, el control del número de población y la productividad general "fluyen en cascada" desde los niveles superiores de la cadena alimentaria hasta los niveles tróficos inferiores.

Entonces, ¿qué teoría es la correcta? Bueno, como suele ocurrir cuando existe una dicotomía clara entre la que elegir, la respuesta se encuentra en algún punto intermedio. Hay evidencia de muchos estudios de ecosistemas de que AMBOS controles están operando hasta cierto punto, pero que NINGÚN control está completo. Por ejemplo, el efecto "de arriba hacia abajo" suele ser muy fuerte en los niveles tróficos cercanos a los depredadores superiores, pero el control se debilita a medida que avanza hacia abajo en la cadena alimentaria. De manera similar, el efecto "de abajo hacia arriba" de agregar nutrientes generalmente estimula 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, encontramos que ambos controles están operando en cualquier sistema en cualquier momento, y debemos comprender la importancia relativa de cada control para ayudarnos a predecir cómo se comportará o cambiará un ecosistema en diferentes circunstancias, como en la cara. de un clima cambiante.

Resumen

  1. Solo una fracción de la energía disponible en un nivel trófico se transfiere al siguiente nivel trófico; las fracciones pueden variar entre 1-15%, con un valor promedio del 10%.
  2. Normalmente, el número y la biomasa de organismos disminuye a medida que uno asciende en la cadena alimentaria.
  3. Podemos construir pirámides de biomasa, energía y números para representar los tamaños relativos de los niveles tróficos en los ecosistemas. Las pirámides a menudo se pueden "invertir" como consecuencia de las altas tasas de producción en los niveles tróficos más bajos.
  4. La dieta humana se deriva de material vegetal. Los seres humanos pueden consumir, cooptar o dejar de estar disponible hasta el 40% de la central nuclear terrestre total de la tierra para alimentos, tierras y otros usos.
  5. La función del ecosistema está controlada principalmente por dos procesos, controles "de arriba hacia abajo" y "de abajo hacia arriba".

Revisar

Repaso de los términos y conceptos principales de esta conferencia.

    Wessells, N.K. y J.L. Hopson. 1988. Biología. Nueva York: Random House, cap. 44

Todos los materiales: los Regentes de la Universidad de Michigan, a menos que se indique lo contrario.


Modelos analíticos y de simulación

La principal limitación de los modelos conceptuales es su incapacidad para predecir las consecuencias de los cambios en las especies de los ecosistemas y / o el medio ambiente. Los ecosistemas son entidades dinámicas y están sujetos a una variedad de perturbaciones abióticas y bióticas causadas por fuerzas naturales y / o actividad humana. Los ecosistemas alterados de su estado de equilibrio inicial a menudo pueden recuperarse de tales perturbaciones y volver a un estado de equilibrio. Como la mayoría de los ecosistemas están sujetos a perturbaciones periódicas y, a menudo, se encuentran en un estado de cambio, por lo general se acercan o se alejan de su estado de equilibrio. Hay muchos de estos estados de equilibrio entre los diversos componentes de un ecosistema, lo que afecta al ecosistema en general. Además, dado que los seres humanos tienen la capacidad de alterar grande y rápidamente el contenido de especies y el hábitat de un ecosistema, la necesidad de modelos predictivos que permitan comprender cómo los ecosistemas responden a estos cambios se vuelve más crucial.

Los modelos analíticos a menudo utilizan componentes simples y lineales de los ecosistemas, como las cadenas alimentarias, y se sabe que son matemáticamente complejos, por lo que requieren una cantidad significativa de conocimientos y experiencia matemáticos.Aunque los modelos analíticos tienen un gran potencial, se cree que su simplificación de ecosistemas complejos limita su precisión. Los modelos de simulación que utilizan programas de computadora son más capaces de lidiar con las complejidades de la estructura del ecosistema.

Un desarrollo reciente en el modelado de simulación utiliza supercomputadoras para crear y ejecutar simulaciones individuales, lo que explica el comportamiento de organismos individuales y sus efectos en el ecosistema en su conjunto. Estas simulaciones se consideran las más precisas y predictivas de las complejas respuestas de los ecosistemas a las perturbaciones.

Visite el Proyecto Darwin para ver una variedad de modelos de ecosistemas.


Ecosistema

Un ecosistema es un área geográfica donde las plantas, los animales y otros organismos, así como el clima y los paisajes, trabajan juntos para formar una burbuja de vida.

Biología, Ecología, Ciencias de la Tierra, Meteorología, Geografía, Geografía humana, Geografía física

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Un ecosistema es un área geográfica donde las plantas, los animales y otros organismos, así como el clima y el paisaje, trabajan juntos para formar una burbuja de vida. Los ecosistemas contienen partes bióticas o vivas, así como factores abióticos o partes no vivas. Los factores bióticos incluyen plantas, animales y otros organismos. Los factores abióticos incluyen rocas, temperatura y humedad.

Todos los factores de un ecosistema dependen de todos los demás factores, ya sea directa o indirectamente. Un cambio en la temperatura de un ecosistema a menudo afectará qué plantas crecerán allí, por ejemplo. Los animales que dependen de las plantas para alimentarse y refugiarse tendrán que adaptarse a los cambios, trasladarse a otro ecosistema o morir.

Los ecosistemas pueden ser muy grandes o muy pequeños. Los charcos de marea, los estanques que deja el océano cuando baja la marea, son ecosistemas diminutos y completos. Los charcos de marea contienen algas, un tipo de alga, que utiliza la fotosíntesis para crear alimento. Los herbívoros como el abulón comen las algas. Los carnívoros, como las estrellas de mar, se alimentan de otros animales en el charco de la marea, como las almejas o los mejillones. Los charcos de marea dependen del nivel cambiante del agua del océano. Algunos organismos, como las algas, prosperan en un ambiente acuático, cuando la marea está alta y la piscina está llena. Otros organismos, como los cangrejos ermitaños, no pueden vivir bajo el agua y dependen de los charcos poco profundos que dejan las mareas bajas. De esta forma, las partes bióticas del ecosistema dependen de factores abióticos.

Toda la superficie de la Tierra es una serie de ecosistemas conectados. Los ecosistemas a menudo están conectados en un bioma más grande. Los biomas son grandes secciones de tierra, mar o atmósfera. Los bosques, estanques, arrecifes y tundra son todos tipos de biomas, por ejemplo. Están organizados de manera muy general, según los tipos de plantas y animales que viven en ellos. Dentro de cada bosque, cada estanque, cada arrecife o cada sección de la tundra, encontrará muchos ecosistemas diferentes.

El bioma del desierto del Sahara, por ejemplo, incluye una amplia variedad de ecosistemas. El clima árido y el clima cálido caracterizan al bioma. Dentro del Sahara hay ecosistemas de oasis, que tienen palmeras datileras, agua dulce y animales como los cocodrilos. El Sahara también tiene ecosistemas de dunas, con el paisaje cambiante determinado por el viento. Los organismos de estos ecosistemas, como las serpientes o los escorpiones, deben poder sobrevivir en las dunas de arena durante largos períodos de tiempo. El Sahara incluso incluye un entorno marino, donde el Océano Atlántico crea nieblas frías en la costa del noroeste de África. En este ecosistema del Sahara viven arbustos y animales que se alimentan de árboles pequeños, como cabras.

Incluso biomas con sonidos similares podrían tener ecosistemas completamente diferentes. El bioma del desierto del Sahara, por ejemplo, es muy diferente del bioma del desierto de Gobi en Mongolia y China. El Gobi es un desierto frío, con frecuentes nevadas y temperaturas bajo cero. A diferencia del Sahara, el Gobi tiene ecosistemas basados ​​no en arena, sino en kilómetros de roca desnuda. Algunas hierbas pueden crecer en climas fríos y secos. Como resultado, estos ecosistemas de Gobi tienen animales de pastoreo como gacelas e incluso takhi, una especie de caballo salvaje en peligro de extinción.

Incluso los fríos ecosistemas desérticos del Gobi son distintos de los gélidos ecosistemas desérticos de la Antártida. La gruesa capa de hielo de la Antártida cubre un continente hecho casi en su totalidad de roca seca y desnuda. Solo unos pocos musgos crecen en este ecosistema desértico, sustentando solo unas pocas aves, como las skúas.

Amenazas a los ecosistemas

Durante miles de años, las personas han interactuado con los ecosistemas. Muchas culturas se desarrollaron alrededor de ecosistemas cercanos. Muchas tribus nativas americanas de las Grandes Llanuras de América del Norte desarrollaron un estilo de vida complejo basado en las plantas y animales nativos de los ecosistemas de las llanuras, por ejemplo. El bisonte, un gran animal de pastoreo nativo de las Grandes Llanuras, se convirtió en el factor biótico más importante en muchas culturas indígenas de las Llanuras, como la Lakota o Kiowa. A los bisontes a veces se les llama erróneamente búfalos. Estas tribus usaban pieles de búfalo como refugio y ropa, carne de búfalo como alimento y cuerno de búfalo como herramientas. La pradera de pastos altos de las Grandes Llanuras sostenía manadas de bisontes, que las tribus siguieron durante todo el año.

Sin embargo, a medida que las poblaciones humanas han crecido, las personas se han apoderado de muchos ecosistemas. La pradera de pastos altos de las Grandes Llanuras, por ejemplo, se convirtió en tierra de cultivo. A medida que el ecosistema se reducía, menos bisontes podían sobrevivir. Hoy en día, algunas manadas sobreviven en ecosistemas protegidos como el Parque Nacional Yellowstone.

En los ecosistemas de selva tropical que rodean el río Amazonas en América del Sur, se está produciendo una situación similar. La selva tropical del Amazonas incluye cientos de ecosistemas, que incluyen copas, sotobosques y suelos forestales. Estos ecosistemas sustentan vastas redes tróficas.

Las marquesinas son ecosistemas en la parte superior de la selva tropical, donde árboles altos y delgados como los higos crecen en busca de luz solar. Los ecosistemas del dosel también incluyen otras plantas, llamadas epífitas, que crecen directamente en las ramas. Los ecosistemas del sotobosque existen bajo el dosel. Son más oscuros y húmedos que las marquesinas. Los animales como los monos viven en ecosistemas del sotobosque y comen frutas de los árboles y animales más pequeños como los escarabajos. Los ecosistemas del suelo forestal albergan una amplia variedad de flores, que se alimentan de insectos como las mariposas. Las mariposas, a su vez, proporcionan alimento a animales como las arañas en los ecosistemas del suelo forestal.

La actividad humana amenaza todos estos ecosistemas de selva tropical en la Amazonía. Miles de acres de tierra se limpian para tierras de cultivo, viviendas e industria. Los países de la selva tropical del Amazonas, como Brasil, Venezuela y Ecuador, están subdesarrollados. La tala de árboles para dejar espacio a cultivos como la soja y el maíz beneficia a muchos agricultores pobres. Estos recursos les brindan una fuente confiable de ingresos y alimentos. Los niños pueden asistir a la escuela y las familias pueden pagar una mejor atención médica.

Sin embargo, la destrucción de los ecosistemas de la selva tropical tiene sus costos. Muchas medicinas modernas se han desarrollado a partir de plantas de la selva tropical. Curare, un relajante muscular, y la quinina, que se usa para tratar la malaria, son solo dos de estos medicamentos. A muchos científicos les preocupa que la destrucción del ecosistema de la selva tropical pueda impedir que se desarrollen más medicamentos.

Los ecosistemas de la selva tropical también hacen que las tierras agrícolas sean pobres. A diferencia de los suelos ricos de las Grandes Llanuras, donde la gente destruyó el ecosistema de las praderas de pastos altos, el suelo de la selva tropical del Amazonas es delgado y tiene pocos nutrientes. Solo unas pocas temporadas de cultivos pueden crecer antes de que se absorban todos los nutrientes. El agricultor o la agroindustria deben pasar al siguiente parche de tierra, dejando atrás un ecosistema vacío.

Ecosistemas en recuperación

Sin embargo, los ecosistemas pueden recuperarse de la destrucción. Los delicados ecosistemas de arrecifes de coral en el Pacífico Sur están en riesgo debido al aumento de la temperatura del océano y la disminución de la salinidad. Los corales se decoloran o pierden sus colores brillantes en agua demasiado cálida. Mueren en agua que no es lo suficientemente salada. Sin la estructura del arrecife, el ecosistema colapsa. Los organismos como las algas, las plantas como los pastos marinos y los animales como los peces, las serpientes y los camarones desaparecen.

La mayoría de los ecosistemas de arrecifes de coral se recuperarán del colapso. A medida que la temperatura del océano se enfría y retiene más sal, los corales de colores brillantes regresan. Lentamente, construyen arrecifes. También regresan algas, plantas y animales.

Personas, culturas y gobiernos individuales están trabajando para preservar los ecosistemas que son importantes para ellos. El gobierno de Ecuador, por ejemplo, reconoce los derechos de los ecosistemas en la constitución del país. Los llamados Derechos de la Naturaleza dicen Naturaleza o Pachamama [La Tierra], donde la vida se reproduce y existe, tiene derecho a existir, persistir, mantener y regenerar sus ciclos vitales, estructura, funciones y sus procesos en evolución. Toda persona, pueblo, comunidad o nacionalidad, podrá reclamar el reconocimiento de derechos a la naturaleza ante los organismos públicos. Ecuador alberga no solo ecosistemas de selva tropical, sino también ecosistemas fluviales y los notables ecosistemas de las Islas Galápagos.

Fotografía de Lela Bouse-McCracken, MyShot

Ecocidio
La destrucción de ecosistemas enteros por los seres humanos se ha denominado ecocidio o asesinato del medio ambiente.

Ecosistema humano
"Ecosistema humano" es el término que utilizan los científicos para estudiar la forma en que las personas interactúan con sus ecosistemas. El estudio de los ecosistemas humanos considera la geografía, la ecología, la tecnología, la economía, la política y la historia. El estudio de los ecosistemas urbanos se centra en ciudades y suburbios.

Triángulo de coral
El ecosistema más diverso del mundo es el enorme Triángulo de Coral en el sudeste asiático. El Triángulo de Coral se extiende desde Filipinas en el norte hasta las Islas Salomón en el este hasta las islas de Indonesia y Papua en el oeste.

Bactriano y Dromedario
Los diferentes ecosistemas desérticos albergan diferentes especies de camellos. El camello dromedario es alto y rápido, con patas largas. Es originaria de los desiertos cálidos y secos del norte de África y la Península Arábiga. El camello bactriano tiene un pelaje más grueso, es más corto y tiene más grasa corporal que el dromedario. El camello bactriano es originario de las frías estepas desérticas de Asia Central.

Es fácil distinguir los dos tipos de camellos: los dromedarios tienen una joroba y los bactrianos dos.


Importancia de la luz solar en un ecosistema | Medio ambiente

En este artículo hablaremos sobre la importancia de la luz solar en un ecosistema.

La luz solar es una parte importante de las condiciones abióticas de un ecosistema. El sol es la principal fuente de energía de nuestro planeta. Por encima de la frecuencia infrarroja viene la luz visible. El Sol emite su potencia máxima en la región visible, aunque la integración de todo el espectro de potencia de emisión a través de todas las longitudes de onda muestra que el Sol emite un poco más de luz infrarroja que visible.

La luz visible es la parte del espectro EM a la que el ojo humano es más sensible. La luz visible (y la luz del infrarrojo cercano) generalmente es absorbida y emitida por electrones en moléculas y átomos que se mueven de un nivel de energía a otro.

La luz que excita el sistema visual humano es una porción muy pequeña del espectro electromagnético. Un arco iris muestra la parte óptica (visible) del espectro electromagnético. El infrarrojo (si pudiera verlo) estaría ubicado justo más allá del lado rojo del arco iris con el ultravioleta apareciendo justo más allá del extremo violeta.

La radiación electromagnética con una longitud de onda entre 380 nm y 760 nm (400-790 terahercios) es detectada por el ojo humano y percibida como luz visible. Otras longitudes de onda, especialmente el infrarrojo cercano (más de 760 nm) y el ultravioleta (más corto de 380 nm) también se denominan a veces luz, especialmente cuando la visibilidad para los humanos no es relevante.

La luz blanca es una combinación de luces de diferentes longitudes de onda en el espectro visible. Al pasar la luz blanca a través de un prisma, se divide en varios colores de luz observados en el espectro visible entre 400 nm y 780 nm. La energía luminosa (luz solar) es la principal fuente de energía en casi todos los ecosistemas.

Es la energía que utilizan las plantas verdes (que contienen clorofila) durante el proceso de fotosíntesis, un proceso durante el cual las plantas fabrican sustancias orgánicas mediante la combinación de sustancias inorgánicas.

La luz visible es de suma importancia para las plantas porque es necesaria para la fotosíntesis y el resto de la energía solar, ya sea reflejada o absorbida por la atmósfera. Factores como la calidad de la luz, la intensidad de la luz y la duración del período de luz (duración del día) juegan un papel importante en un ecosistema.

(i) Calidad de la luz (longitud de onda o color):

Las plantas absorben la luz azul y roja durante la fotosíntesis. En los ecosistemas terrestres la calidad de la luz no cambia mucho. En los ecosistemas acuáticos, la calidad de la luz puede ser un factor limitante. Tanto la luz azul como la roja se absorben y, como resultado, no penetran profundamente en el agua. Para compensar esto, algunas algas tienen pigmentos adicionales que también pueden absorber otros colores.

La intensidad de la luz que llega a la tierra varía según la latitud y la estación del año. El hemisferio sur recibe menos de 12 horas de luz solar durante el período comprendido entre el 21 de marzo y el 23 de septiembre, pero recibe más de 12 horas de luz solar durante los siguientes seis meses.


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¿Cómo funcionan los ecosistemas y qué hacen?

Ahora que sabemos que los ecosistemas nos rodean, intentemos averiguar qué hacen exactamente los ecosistemas. Dado que sabemos que los ecosistemas están formados por muchas partes abióticas y bióticas que interactúan, esas interacciones deben ser la clave de lo que pueden hacer los ecosistemas. Primero, un ecosistema necesita energía para funcionar. Al igual que la computadora que está usando para leer esto, un ecosistema no puede funcionar sin energía. En muchos ecosistemas, la energía ingresa primero al ecosistema desde el sol. Es posible que haya oído hablar de la electricidad alimentada por energía solar. Bueno, muchos ecosistemas también funcionan con energía solar. Las plantas y algunas bacterias pueden capturar energía de la luz solar y almacenarla en sus tejidos. Usan la energía para crecer y reproducirse.

La energía capturada por las plantas no se queda ahí para siempre. Las plantas son alimento para los consumidores, por lo que la energía de los tejidos vegetales se transmite a los organismos que las comen. Los depredadores obtienen su energía comiendo consumidores. Las plantas y los animales muertos son alimento para microorganismos diminutos como bacterias y hongos. Probablemente conozca estas relaciones alimentarias como una red alimentaria. La red alimentaria permite que la energía fluya a través del ecosistema y alimente las actividades de muchos organismos (incluidas las personas).

Los ecosistemas incluyen cosas que puede ver, como agua, suelo y vegetación. También incluyen cosas que están ocultas a nuestros ojos, como organismos que viven bajo tierra y microorganismos que son demasiado pequeños para verlos con nuestros ojos. Los ecosistemas incluyen no solo seres vivos y no vivos, sino también interacciones entre ellos. En este ecosistema forestal, la precipitación, representada por flechas azules, puede ser absorbida por las plantas por las raíces o puede filtrarse a través del suelo y almacenarse como agua subterránea. La luz del sol, que se muestra en amarillo, proporciona energía a las plantas. Esta energía puede transmitirse a los animales que comen plantas (indicado por la flecha verde), como los ciervos de este bosque. La energía de las plantas también puede pasar a los descomponedores (flechas marrones), como las lombrices de tierra y las bacterias que viven en el suelo o en el material vegetal muerto. Los microorganismos que se adhieren a las raíces de las plantas pueden ayudar a las plantas a capturar algunos de los nutrientes que se liberan cuando los descomponedores descomponen los materiales muertos. (crédito de la foto: Paula Flynn, Extensión de la Universidad Estatal de Iowa)

Si alguna vez ha tomado vitaminas, le han dicho que coma sus verduras o ha tomado una bebida energética, sabe que los alimentos contienen más que solo energía. Los organismos obtienen nutrientes esenciales como nitrógeno y fósforo de sus alimentos además de energía. Los nutrientes circulan a través de las partes abióticas y bióticas de los ecosistemas y pasan entre organismos en una red alimentaria. Los nutrientes también pueden convertirse en formas, moverse por el ecosistema en el agua o el viento, o pueden abandonar el ecosistema por completo. Siga al salmón a continuación para ponerse al día con lo que sucede con los nutrientes una vez que abandonan el ecosistema.

Es posible que haya escuchado que los ecosistemas son delicados y que pueden cambiar con la más mínima influencia externa. Los ecosistemas siempre están cambiando, por lo que es cierto que los ecosistemas rara vez permanecen igual durante largos períodos de tiempo. Pero los ecosistemas están lejos de ser delicados. A veces, los cambios en los ecosistemas son lentos y graduales, como un bosque que crece desde un grupo de plántulas hasta árboles viejos maduros. Otras veces, los cambios ocurren de repente. Los incendios, las inundaciones o las erupciones volcánicas pueden eliminar rápidamente la mayoría de las partes bióticas de un ecosistema e incluso pueden cambiar las partes abióticas.

Ahora que sabe qué es un ecosistema, ¿cómo se relacionan los ecosistemas?

A menudo, los ecosistemas pueden recuperarse de estos grandes cambios y volver a ser como estaban antes del evento repentino. Usamos la palabra resiliencia para describir la capacidad de recuperarse de un cambio en las condiciones. Sin embargo, hay cambios en los ecosistemas que son tan grandes que los ecosistemas no pueden recuperarse. El calentamiento climático y los aportes de fertilizantes procedentes de la agricultura son ejemplos de fuerzas de las que los ecosistemas a menudo no se recuperan.

Imágenes adicionales de Wikimedia. Imagen de la boca humana por Ανώνυμος Βικιπαιδιστής.