Tema 17 Flujos de energía en el ecosistema
Estructura trófica de los ecosistemas: cadenas y redes tróficas
Un ecosistema es un sistema que contiene e intercambia materia y energía. Los seres vivos están hechos de materia y emplean energía para realizar sus funciones vitales. Entre los organismos de un ecosistema la mayor parte de las relaciones que se establecen tienen que ver con la nutrición: son relaciones alimentarias o “tróficas”. Casi todo se reduce a comer y ser comidos, que es una forma de intercambiar materia y energía. El flujo de energía que atraviesa un ecosistema es unidireccional y no cíclico. Entra en forma de luz (salvo excepciones: organismos quimiosintéticos), se transforma en energía química (la posee la materia orgánica “encerrada” en sus enlaces) y se pierde en forma de energía calorífica tras la realización de un trabajo. Sin un continuo aporte del exterior, cualquier ecosistema está abocado a desaparecer en un periodo relativamente corto de tiempo.
CO2 + H2O Materia orgánica + O2
Como sabemos, la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. La energía permite la realización de trabajo y, al menos una parte, se convierte en calor. Se dice que el calor es una forma “degradada” de energía, y si bien sirve para facilitar las reacciones químicas en los seres vivos, se disipa o escapa al medio exterior (atmósfera primero y universo después) de modo que deja de ser aprovechable
Materia orgánica + O2 CO2 + H2O + Energía
Se denomina nivel trófico a la forma en que un ser obtiene la materia y la energía. Los niveles tróficos considerados habitualmente son los siguientes:
1) Productores. Son los seres autótrofos. Aprovechan la energía luminosa (fotosíntesis) para sintetizar materia orgánica a partir de materia inorgánica. Este nivel está constituido por los vegetales, aunque también hay ciertos procariotas (bacterias y cianobacterias). Los principales organismos fotosintéticos son las plantas superiores en los ecosistemas terrestres, y el fitoplancton, constituido por un conjunto de algas microscópicas y cianobacterias, que viven flotando a la deriva en las zonas iluminadas marinas.
Existen también productores en ciertos ecosistemas (siempre bacterias) que aprovechan la energía desprendida en algunas reacciones químicas (organismos quimiosintéticos).
2) Consumidores primarios. Son seres de nutrición heterótrofa. Aprovechan la energía química almacenada en la materia orgánica de los productores. Este nivel está constituido por los herbívoros.
3) Consumidores secundarios. Son heterótrofos. Se alimentan de los consumidores primarios. Este nivel lo forman los carnívoros.
4) Consumidores terciarios, se trataría de “supercarnívoros o superdepredadores”, por ejemplo un tiburón o un águila culebrera.
5) Descomponedores o desintegradores. Se alimentan de los restos orgánicos de los seres de niveles anteriores. Convierten la materia orgánica en materia inorgánica, pero también la transforman, en parte, en otros tipos de materia orgánica (humus). Este nivel lo integran bacterias y hongos.
6) Transformadores o mineralizadores. Transforman los compuestos inorgánicos y orgánicos anteriores en sustancias minerales (inorgánicas) que resultan aprovechables por los productores. Por lo tanto, cierran ciertos ciclos de la materia. Forman este nivel algunos tipos de bacterias. Son los auténticos recicladores de los bioelementos.
Pero la vida es más compleja, existiendo muchos más niveles tróficos:
Omnívoros. Se alimentan de especies de más de un nivel trófico. El ejemplo más llamativo sin duda lo
constituye la especie humana.
Luz solar
Carroñeros o necrófagos. Son los animales que se alimentan de cadáveres como los buitres, las hienas o
muchos escarabajos.
Detritívoros. Animales que se alimentan de restos orgánicos más o menos degradados. Por ejemplo las
lombrices de tierra o las cochinillas de la humedad.
Y un largo etcétera de formas de vida con alimentaciones muy específicas que nos impiden poder dar una relación sencilla de niveles tróficos: coprófagos, hematófagos, frugívoros... en un buen ecosistema “no se tira nada”. Siempre hay algún ser capaz de aprovechar lo que a otros no lesresulta de utilidad.
Las relaciones lineales que pueden establecerse en un ecosistema entre los organismos que se alimentan unos de otros se denominan cadenas alimentarias o tróficas. Se trata de una simplificación de la realidad porque siempre hay muchas cadenas interrelacionadas, puesto que hay especies (muchas) que se alimentan a la vez de más de un nivel trófico y por lo tanto pertenecen a dos o incluso a más niveles tróficos. Es el caso de los descomponedores. Estas conexiones entre cadenas forman lo que llamamos redes tróficas o
alimentarias. Si un águila ratonera se come un ratón se está comportando como un consumidor secundario,
pero si captura un hurón, es un consumidor terciario.
Las cadenas y redes tróficas se representan uniendo con flechas las especies que mantienen relaciones alimentarias directas. Las flechas indican, con su dirección, hacia dónde se transfiere la materia y la energía:
Trébol → saltamontes → ratón → culebra bastarda → águila culebrera
Flujos de energía entre niveles tróficos
El ciclo de la materia puede considerarse cerrado. Sin embargo, la energía es algo que se utiliza y se pierde y que entra en los ecosistemas en forma de luz y que una vez “atrapada” por los vegetales, pasa a estar “empaquetada” en forma de materia orgánica.
Cada vez que a lo largo de las cadenas y redes tróficas alguien se come a alguien, la materia-energía fluye. Pero siempre en cada traspaso hay una pérdida importante: no todo se aprovecha o asimila; se desprende calor, se respira, se excreta....
A medida que nos movemos de unos niveles tróficos a otros, la energía (en forma de materia orgánica) que puede transferirse al siguiente nivel disminuye. Con frecuencia, el porcentaje aprovechado de un eslabón de la cadena es inferior al 10%. Dicho de manera más sencilla: con 1 Kg. de hierba no puede fabricarse 1 Kg. de cordero, y con 1 Kg. de cordero no puede obtenerse 1 Kg. de lobo, y por supuesto, con 1Kg de cadáver de lobo no puede crearse 1kg de bacterias descomponedoras.
Generalizando, se podría decir que la energía que pasa de un eslabón a otro es aproximadamente el 10%
de la acumulada en él. (En el mejor de los casos, con 10 Kg de hierba, un cordero podría aumentar su
biomasa en un kilogramo). Se habla de la regla del 10%.
Esto quiere decir que de la energía disponible en un determinado nivel trófico, sólo el 10% pasa al nivel siguiente. El resto de la energía (90%) se consume en
respiración, reproducción y excreción, mantener la temperatura, en correr, en masticar y en digerir la comida, en la actividad del sistema nervioso, etc.). Esta energía se libera en forma de calor y deja de ser utilizable.
Por tanto, el flujo de energía que atraviesa el ecosistema se divide por diez en cada paso. Por esta razón, a mayor número de niveles en una red trófica, mayor es la pérdida de energía.
Esta regla explica la razón por la cual el número de eslabones es muy limitado. Las cadenas alimentarias no sobrepasan, normalmente, 4 ó 5 niveles tróficos, debido a las grandes pérdidas que
se producen en cada intercambio. (Por encima de los “súperdepredadores”, tales como águilas reales o leones no hay consumidores cuaternarios
Se llama eficiencia ecológica o eficiencia de la cadena alimentaria al porcentaje de energía que es transferida de un nivel trófico al siguiente. La transferencia tiene lugar cuando un ser vivo cede (no por propia voluntad desde luego) su materia orgánica a un consumidor, ya sea un depredador o un parásito. La eficiencia ecológica puede expresarse mediante la siguiente ecuación:
EFICIENCIA ECOLÓGICA = (PRODUCCIÓN NIVEL N / PRODUCCIÓN NIVEL N-1) · 100
El valor máximo teórico sería aquel en el que toda la producción de un nivel pasara íntegramente al nivel siguiente (eficiencia del 100%).
Como ya se ha dicho, esta eficacia como mucho llega al 10%, siendo la mayor parte de las veces menor, y generalmente difiere en los distintos intercambios de la cadena.
Los niveles más altos de la cadena trófica dependen de la producción primaria y también en gran medida, de la eficiencia ecológica. Si una u otra o ambas son muy bajas, quedará muy poca energía para mantener a estos organismos.
Hay otro factor que influye en esas transformaciones: el almacenamiento de energía es cada vez más ineficaz con el paso del tiempo, debido a la gran cantidad de energía que se precisa para mantener un organismo. Por ejemplo, una cebra puede consumir 500.000 Kcal al año. Con dos años de vida, una vez ha alcanzado su estado adulto, retiene en su cuerpo 100.000 Kcal. Esta cantidad es la que puede ser utilizada en el siguiente nivel trófico. Cuanto mayor es el intervalo de tiempo que transcurre hasta que se produce el intercambio energético entre dos niveles tróficos, menor es la eficiencia de esa transformación. Cualquier ganadero sabe que debe vender los animales en el momento en que dejan de crecer, ya que alimentarlos más tiempo le supone un gasto que no se ve compensado por el aumento de peso y por tanto de ganancia.
Pirámides tróficas
En ecología se emplean con frecuencia, unas representaciones llamadas pirámides tróficas. Dichas representaciones permiten comparar aspectos relacionados con la distribución de materia-energía entre diferentes niveles tróficos en un ecosistema, sus variaciones a lo largo del tiempo, así como también permiten comparar diferentes ecosistemas,
Una pirámide trófica es un histograma de barras horizontales y superpuestas que presentan el mismo grosor y en el que la longitud de cada una de ellas es proporcional a la magnitud del parámetro que se quiere representar. Cada barra representa un nivel trófico, comenzando por el de los productores.
Suelen emplearse tres tipos diferentes de pirámides:
Pirámides de números
: expresan el nº concreto de individuos o bien de especies de cada nivel trófico.
de cada nivel trófico por unidad de superficie o volumen. La información que proporcionan no es útil si se quierencomparar dos ecosistemas ya que considera igual a organismos muy diferentes. (saltamontes y vacas).
Puede presentarse invertida (presenta la base más estrecha que algunas zonas superiores) (1 rosal – productor- puede tener 1.000 pulgones –consumidores primarios-)
Pirámides de biomasa:
indican la biomasa acumulada en cada nivel trófico, expresada en: peso seco demateria orgánica / unidad de superficie o volumen o su equivalente en: energía/ unidad de superficie o volumen.
Estas pirámides no informan sobre la cantidad de materia producida a lo largo del tiempo o de su velocidad de producción.
Esto puede inducir a que en algunos momentos se observen pirámides invertidas debido a que los datos se toman en un momento determinado, por ejemplo cuando los datos se toman en el momento de mayor consumo por parte de los herbívoros, como en algunos ecosistemas marinos.
Puede ser invertida (en ecosistemas acuáticos puede haber más zooplancton que fitoplancton; esta aparente contradicción es debida a que la producción diaria de fitoplancton es devorada inmediatamente por el zooplancton: la eficiencia de estos ecosistemas es la más alta de todos los que se han estudiado).
En condiciones óptimas de temperatura, luz y nutrientes, el fitoplancton acuático (formado básicamente por algas unicelulares) puede duplicar su biomasa ¡en 24 horas!, por lo tanto su productividad es del 100% diario. Pero esa alta producción es consumida inmediatamente por el zooplancton. Este sí es un caso de alta eficiencia: las algas recién nacidas no tienen tiempo para perder materia en respirar ya que ceden toda la producción al nivel siguiente en un tiempo record.
Pirámides de energía
:
expresan el contenido energético que cada nivel trófico pone a disposición del nivel superior, es decir la producción neta de cada nivel. También se llaman pirámides de producción. Esto se debe a que cada nivel explota al anterior, retirando una cantidad de energía (o lo que es lo mismo de materia) por unidad de tiempo idéntica a la que ha producido dicho nivel, de forma que su biomasa permanece constante. Por tanto, la biomasa de cada nivel de consumidores no depende de la biomasa del nivel inmediatamente inferior, sino de su producción. Este parámetro indica la energía real que está disponible para el consumo del nivel superior.Las unidades se suelen expresar en: Energía (Kcal o Kjul) / unidad de superficie. Unidad de Tiempo Siempre tendrá forma decreciente hacia arriba por la Ley del 10% Proporciona información sobre el flujo
energético
Parámetros tróficos
Se denominan parámetros tróficos a las medidas utilizadas para evaluar tanto la rentabilidad de cada nivel trófico como la del ecosistema completo. Estos conceptos resultan muy interesantes para comprender cómo funcionan los ecosistemas y sobre todo para poder compararlos.
Biomasa (B):
es la cantidad en peso de materia orgánica de cualquier nivel trófico o de cualquier ecosistema Se mide en gC/cm2, kgC/m2, tmC/ha (C representa la materia orgánica – carbono orgánico-). También puede expresarse como energía por unidad de superficie o volumen (calorías por unidad de volumen o desuperficie que encierra la propia biomasa).
En la Geosfera la biomasa vegetal es más abundante que la animal, y entre los diferentes puntos varía mucho. En la Hidrosfera la biomasa vegetal es menor que la animal.
Producción (P):
Representa el incremento de biomasa de un nivel trófico o de un ecosistema completo. Se mide por el aumento de biomasa por unidad de superficie en un periodo de tiempo determinado. Se expresa en gC/m2·día, kcal/ha·año, y en ecosistemas acuáticos: g/cm3/día; Kcal/m3/día (kilocalorías por metro cúbico y día).La producción nos da una idea de la biomasa disponible por unidad de tiempo que puede ser utilizada por el nivel trófico siguiente sin que peligre la estabilidad del sistema. Debe quedar claro que la producción no es la cantidad total de biomasa sino aquella que es generada en un espacio de tiempo determinado.
PRODUCCIÓN = INCREMENTO DE BIOMASA / TIEMPO
La producción anual de un olivo incluye los kilos de aceitunas que se recogen, más el ramón (ramas, hojas y troncos) que se ha generado en ese año, más las raíces que también han crecido en ese tiempo. [Lógicamente, el dueño del olivar solo se fijará en la producción de aceitunas].
Se puede cuantificar de las siguiente formas:
Producción primaria bruta (PPB): toda la biomasa sintetizada mediante la actividad fotosintética de los productores en un tiempo determinado, generalmente un año.
Pero una parte de la materia sintetizada es empleada por los propios vegetales para obtener energía útil. Este proceso es la respiración y supone la “destrucción” de dicha materia.
Producción primaria neta (PPN): es la diferencia entre la producción primaria bruta y la biomasa consumida en la respiración al cabo de un año por los mismos productores. Es importante conocer este valor porque solo esta biomasa podrá ser el alimento disponible para los organismos herbívoros. Cualquier ecosistema depende de esta producción primaria neta y es habitualmente con la que se trabaja.
Cuando la producción primaria neta es positiva, la biomasa de las plantas del ecosistema va aumentando. Es lo que sucede, por ejemplo, en un bosque joven en el que los árboles van creciendo y aumentando su número. Cuando el bosque ha envejecido, sigue fotosintetizando pero toda la energía que recoge la emplea en la respiración, la producción neta se hace cero y la masa de vegetales del bosque ya no aumenta.
PPN = PPB - R
Producción secundaria (PS):
es el incremento de biomasa por unidad de superficie (o volumen) y de tiempo en los niveles de los consumidores y de los descomponedores. La producción heterotrófica representa la velocidad de almacenamiento de energía en esos niveles tróficos. (Se estima la biomasa de consumidores en un ecosistema y vuelve a calcularse al cabo de un año. La diferencia entre ambos valores es la producción). Puede ser también bruta y neta aunque suele estar referida a esta última.
Producción neta del ecosistema (PNE): es el incremento de biomasa por unidad de tiempo de todo el conjunto del ecosistema (considerando todos los niveles tróficos). [Como un ecosistema es un sistema en continuo cambio, con un trasvase de energía ininterrumpido y una pérdida de calor constante, la PNE se calcula tomando una muestra representativa que incluya a todos los seres vivos que allí se encuentren]. En un ecosistema en equilibrio, PNE=0. Un bosque, una selva, un ecosistema marino equilibrado, tienen una PNE= 0; quiere esto decir que si medimos la biomasa y volvemos a hacerlo al cabo de un tiempo, no encontraremos un aumento de la misma.
En un ecosistema joven PNE=0 (todavía no han terminado de instalarse o de crecer todas las especies que caben en el ecosistema o bien todos los individuos que podrían existir en él. Por eso año tras año hay un incremento de biomasa).
En ecosistemas en regresión (contaminados, sobreexplotados…...) PNE<0, obviamente estos últimos ecosistemas están abocados a la desaparición, ya que hay cada vez menos biomasa y esta acabará por agotarse.
Productividad (p) o Tasa de renovación (tr):
es la relación entre producción y biomasa. Es un concepto muy utilizado en ecología y nos da una idea de la eficiencia de los procesos formadores de biomasa.PRODUCTIVIDAD = (PRODUCCIÓN / BIOMASA) · 100
Se expresa como tanto por ciento anual (para ello se multiplica el cociente por cien). Y en el caso de ecosistemas acuáticos, que tienen una alta productividad, en % diario.
La tasa de renovación biológica
viene a ser la velocidad con la que se renueva la biomasa.Una productividad del 10% anual es lo mismo que decir que se ha renovado al cabo de un año el 10% de la biomasa inicial.
La importancia de introducir estos conceptos y que no baste con el de producción puede ser comprendida mediante un ejemplo:
Si un gran prado con una biomasa inicial de 10 toneladas, al cabo de un año tiene 11 toneladas, su producción anual será de: Δ biomasa = Biomasa final – biomasa inicial= 11-10 = 1 tonelada.
Si otro prado con tan sólo 1 tonelada de biomasa al año siguiente resulta tener dos toneladas, su producción (incremento) será igualmente la misma que en el caso anterior, es decir, una tonelada Δ biomasa = 2-1 = 1 tonelada.
Pero si nosotros fuéramos ganaderos: ¿Cuál de los dos prados nos interesaría más comprar? (A veces no basta con saber cuál es el incremento de biomasa en un tiempo determinado sino que es importante conocer a partir de cuánta biomasa inicial se ha producido el incremento).
Productividad primer prado: (1 Tm/año / 10 Tm) x 100 = 10% anual. Productividad segundo prado: 1 Tm/año / 1 Tm x 100 = 100% anual.
El primer prado ha renovado (ha aumentado en realidad) el 10% de su biomasa en un año. El segundo prado ha renovado nada menos que el 100%).
Tiempo de renovación:
el tiempo que tarda en renovarse toda la biomasa a la que nos estemos refiriendo(de un individuo, de un nivel trófico o de un ecosistema). Este concepto es inverso al de la productividad, o sea B / P (biomasa / producción) [Kg / Kg / año].
Si un ecosistema tiene una tasa de renovación del 10% anual quiere decir que cada año se renueva o produce una décima parte de su biomasa inicial, por lo que harán falta 10 años para que se renueve totalmente. (En el ejemplo anterior, el primer prado tiene un tiempo de renovación teórico de 10 años, mientras que el segundo, con alta productividad o tasa de renovación –un 100% anual- tiene un tiempo de renovación de un año, puesto que en ese tiempo es capaz de producir una cantidad de biomasa igual a la que poseía al inicio).
TIEMPO DE RENOVACIÓN = BIOMASA / PRODUCCIÓN NETA
3. El flujo de la energía en los ecosistemas Estructura trófica de los ecosistemas: cadenas y redes tróficas. Flujos de
energía entre niveles tróficos. Pirámides tróficas.
Conceptos básicos: energía solar, energía química, autótrofos o productores, heterótrofos o consumidores (primarios,
secundarios, terciarios), descomponedores, eficiencia ecológica, regla del 10%.
4. La producción biológica Concepto de biomasa. Producción primaria y secundaria. Tiempo de renovación.
Actividades
Preguntas largos
1) Flujo de energía en el ecosistema.
2) Concepto de ecosistema. Estructura trófica: cadenas y redes tróficas. 3) La biomasa. Producción primaria y secundaria
4) Utilización de la energía en los ecosistemas. Cadenas y redes tróficas.
5) Producción biológica. Producción primaria y secundaria. Tiempo de renovación.
6) El flujo de la energía en los ecosistemas. Estructura trófica de los ecosistemas: cadenas y redes tróficas. Flujo de energía entre niveles tróficos. Pirámides de energía.
Preguntas cortas
7) ¿Puede ser mayor la producción secundaria que la primaria en un ecosistema? Razona tu respuesta. 16) ¿Podrían vivir las plantas si no existieran las bacterias? Razona tu respuesta.
17) ¿Podría existir un ecosistema sin el nivel trófico de los descomponedores. Razona la respuesta.
20) ¿Qué diferencia fundamental existe entre la circulación de la materia y la de la energía en un ecosistema? 21) ¿Qué diferencia hay entre la producción primaria y la producción secundaria en un ecosistema?
22) ¿Qué es una red trófica? Haz un esquema de un ejemplo sencillo.
23) ¿Qué es una red trófica? Describa un ejemplo sencillo de un ecosistema continental. 24) Pon un ejemplo de red trófica en un ecosistema marino.
25) Define los conceptos de biomasa y producción. 26) ¿Qué son los flujos de energía en un ecosistema?
27) ¿Por qué las cadenas tróficas no pueden ser muy largas?
28) ¿Es posible que, en un mismo ecosistema, exista una pirámide de biomasa invertida? Coméntalo con un ejemplo.
Preguntas de aplicación
29) Interpreta la gráfica adjunta y responde a las siguientes cuestiones: a) ¿Cómo se denominan este tipo de gráficas?
¿Por qué? ¿Qué nombre reciben los compartimentos que aparecen en ella? b) ¿Por qué hay una fuerte disminución de la
energía en los compartimentos a medida que éstos están más cercanos a la cúspide? c) ¿Dónde va a parar la energía de cada compartimento de la gráfica que no es aprovechada por el siguiente? Razona la respuesta
30) Un ecosistema A tiene una biomasa vegetal de 5.000 kg y, al cabo de un año, alcanza el valor de 10.000 kg. Otro ecosistema B tiene una biomasa vegetal de 8.000 kg y, al cabo de un año, alcanza el valor de 15.000 kg.
a) ¿Cuál de los dos ecosistemas tiene mayor producción primaria? Razona la respuesta. b) ¿Cuál de los dos tiene mayor productividad? Razona la respuesta.
31) Observa la siguiente pirámide ecológica:
a) ¿Qué tipo de pirámide es y qué información aporta?.
b) Explica en qué consiste la regla del 10% e indica en qué medida se cumple en este ejemplo.
c) Teniendo en cuenta los aspectos anteriores, indica las razones por las cuales el número de niveles tróficos de un ecosistema no puede ser ilimitado.
32) La siguiente tabla muestra los valores medios de biomasa y de producción primaria neta anual de los principales ecosistemas acuáticos y ecosistemas terrestres, así como la extensión que ocupan.
a) La producción primaria en el océano abierto (ecosistema pelágico) es muy baja, mientras que en estuarios es muy alta. Explica razonadamente las causas que determinan esta diferencia de producción.
b) Calcula la productividad primaria (tasa de renovación) del bosque templado y del ecosistema pelágico. Indica como lo haces y que unidades se emplean. Explica el significado de la productividad primaria. c) Calcula el tiempo de renovación del bosque templado y de la pradera. Indica las unidades que se
utilizan para medir este parámetro y explica su significado.
33) Los requerimientos calóricos del hombre se estiman en unas 2.500 Kcal/día. Imaginemos un área en la que la producción primaria sea de 20 · 106 Kcal/día.
a) ¿Qué número de personas podría mantener esta zona si todos fueran vegetarianos?.
b) Si por el contrario se alimentaran de cabras, cuya producción total diaria, entre leche y carne, fuera de 150.000 Kcal/día, ¿qué población humana podría subsistir?.
c) Deduce cuál de los dos sistemas de sustento resulta más eficiente energéticamente.
34) La tabla siguiente contiene los datos de biomasa y de producción de cuatro niveles tróficos marinos. A partir de ella, responda razonadamente a las siguientes cuestiones:
a) Dibuja de manera sencilla la pirámide de biomasa correspondiente a este ecosistema.
b) ¿Cómo se explica que la biomasa de los productores sea inferior a la de los consumidores primarios? c) Calcule la productividad de cada nivel trófico.
