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Circulación de materia y energía en la biosfera. Ecología y Ecosistemas Ecosistema: Sistema abierto que intercambia materia y energía Sistema natural.

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Presentación del tema: "Circulación de materia y energía en la biosfera. Ecología y Ecosistemas Ecosistema: Sistema abierto que intercambia materia y energía Sistema natural."— Transcripción de la presentación:

1 Circulación de materia y energía en la biosfera

2 Ecología y Ecosistemas Ecosistema: Sistema abierto que intercambia materia y energía Sistema natural integrado por los componentes vivos y no vivos que interactúan entre sí Ecología : ciencia que estudia los ecosistemas BIOTOPO BIOCENOSIS o COMUNIDAD Poblaciones de seres vivos Medio físico Agua Aire Luz Temperatura Sustrato Factores abióticos Factores bióticos

3 Ecosfera y Biomas ECOSFERA: Es el gran ecosistema planetario Conjunto formado por todos los ecosistemas que constituyen la Tierra La biocenosis de la ecosfera es la BIOSFERA Se considera sistema cerrado que intercambia energía (solar y calor) BIOMAS : Los grandes ecosistemas en que dividimos la ecosfera Los diferentes ecosistemas terrestres Determinado por las condiciones ambientales de una región geográfica Caracterizados por un clima determinado Poseen una flora y una fauna asociadas Ej: selva tropical, desierto, sabana, tundra, etc

4 Biosfera La biocenosis de la Ecosfera Conjunto de todos los seres vivos que habitan la Tierra Sistema abierto que intercambia materia y energía La materia que sale realiza un recorrido por los sistemas terrestres dando lugar a los ciclos biogeoquímicos BIOSFERA Energía solarCalor Oxígeno, agua, CO2, P, N ATMÓSFERA HIDROSFERA GEOSFERA

5 RELACIONES TRÓFICAS Representan el mecanismo de transferencia de energía de unos organismos a otros en forma de alimento CADENAS TRÓFICAS ProductoresConsumidoresdescomponedores Eslabones o NIVELES TRÓFICOS

6 Primer nivel trófico: PRODUCTORES AUTÓTROFOS FOTOSINTÉTICOS Utilizan la energía solar para la fotosíntesis Plantas superiores y fitoplancton la materia orgánica sintetizada Respiración celular Transformación en calor Acumulación en tejidos Transferencia a siguientes niveles tróficos QUIMIOSINTÉTICOS Bacterias autótrofas que utilizan como fuente de energía la oxidación de moléculas inorgánicas: Compuestos de S Compuestos de N Fe

7 CONSUMIDORES HETERÓTROFOS Consumidores primarios o herbívoros Consumidores secundarios o carnívoros Consumidores terciarios o carnívoros finales Niveles tróficos OMNÍVOROS Se alimentan de más de un nivel trófico CARROÑEROS O NECRÓFAGOS Se alimentan de cadáveres DESCOMPONEDO RES Detritívoros que transforman la materia orgánica en inorgánica SAPRÓFITOS O DETRITÍVOROS Se alimentan de detritos

8 Ciclo de materia y flujo de energía Principio de sostenibilidad natural Reciclar al máximo la materia Acción de descomponedores: bacterias y hongos La materia mineral puede ser utilizada de nuevo por las plantas El ciclo de la materia tiende a ser cerrado Escapes hacia la atmósfera (gasificación) Lixiviado de materiales del suelo Transformación en combustibles fósiles Utilizar la luz solar como fuente de energía Energía solar energía química Flujo de energía abierto y de sentido unidireccional 1ª Ley termodinámica: la energía entrante es igual a la acumulada en cada nivel en forma de materia orgánica + la desprendida en forma de calor La energía se degrada en la respiración La energía útil disminuye El número de eslabones es reducido

9 Los parámetros tróficos Nos miden la rentabilidad de cada nivel trófico o del ecosistema completo BIOMASA (B) Cantidad de materia orgánica de un nivel trófico o de un ecosistema Incluye: M.O. viva Fitomasa Zoomasa M.O. muerta o necromasa En la biosfera la cantidad de biomasa es insignificante respecto de la necromasa Se puede medir en: Kg, g, mg,… en unidades de energía: 1 g M.O. 4 o 5 KC Es lo más frecuente Se suele expresar en cantidad por unidad de área o de volumen: gC/cm 2 kg C/m 2 tm C/ha

10 LA PRODUCCIÓN (P) P = representa la cantidad de energía que fluye por cada nivel trófico Suele expresarse en g C/m 2. día; o Kcall/ha. año PRODUCCIÓN PRIMARIA Energía fijada por los autótrofos PRODUCCIÓN SECUNDARIA Energía fijada por los demás niveles tróficos Pb PRODUCCIÓN BRUTA Energía fijada por unidad de tiempo Pn PRODUCCIÓN NETA Energía almacenada por unidad de tiempo Productores total fotosintetizado/ día o año Consumidores alimento asimilado/alimento ingerido Representa el aumento de biomasa por unidad de tiempo Se obtiene restando a la Pb la energía consumida en el proceso respiratorio de automantenimiento Pn = Pb - R

11 Regla del 10 % La energía que pasa de un eslabón a otro es aproximadamente el 10 % de la acumulada en él Por esta razón, el número de eslabones es muy limitado Productores PPb Energía solar Calor Respiración PPn Pb de los herbívoros Respiración Energía no utilizada Energía no asimilada Pn Pb carnívoros Respiración E no utilizada E no asimilada Descom- ponedores Pn

12 Productividad y tiempo de renovación Pn/B PRODUCTIVIDAD B/Pn TIEMPO DE RENOVACIÓN La cantidad de energía almacenada por unidad de tiempo en un eslabón o ecosistema en relación con la materia orgánica total Es el tiempo que tarda en renovarse un nivel trófico o un ecosistema Se puede medir en días, años,... Conocida como tasa de renovación Mide la velocidad con que se renueva la biomasa Alta productividad Tiempo de renovación corto

13 Eficiencia EFICIENCIA ECOLÓGICA: El porcentaje de energía que es transferida desde un nivel trófico al siguiente El nº de eslabones de una cadena depende de la Producción Primaria (PP) y de la eficiencia Pn/Pn del nivel anterior. 100 La eficiencia ecológica es la parte de la producción neta de un determinado nivel trófico que se convierte en Pn del nivel siguiente Eficiencia de los productores: Energía asimilada/energía incidente Valores < 2 % Rentabilidad de los consumidores: Pn/alimento total ingerido Engorde/alimento ingerido

14 Eficiencia Pn/Pb Mide la cantidad de energía incorporada a un nivel trófico respecto del total asimilado Así constatamos las pérdidas respiratorias (del 10 al 40 % fitoplancton) (más del 50 % en la vegetación terrestre) Es más eficiente una alimentación a partir del primer nivel trófico. Se aprovecha mejor la energía y se alimenta a más gente Es más eficiente una alimentación a partir del primer nivel trófico. Se aprovecha mejor la energía y se alimenta a más gente

15 RESUMEN PARÁMETROS TRÓFICOS BIOMASA Cantidad de Materia Orgánica Por nivel trófico o en todo el ecosistema g C/cm2 kg C/m2 tm C/hag C/cm2 kg C/m2 tm C/ha PRODUCCIÓN Energía por cada nivel trófico PRIMARIA Nivel de productores SECUNDARIA Niveles consumidores g C/m2. día Kcal/ha. año P. BRUTA Energía fijada por unidad de tiempo P. NETA Energía almacenada por unidad de tiempo Pn = Pb - R PRODUCTIVIDAD Tasa de renovación La cantidad de energía almacenada por unidad de tiempo en un eslabón o ecosistema en relación con la materia orgánica total Pn / B TIEMPO DE RENOVACIÓN Es el tiempo que tarda en renovarse un nivel trófico o un ecosistema Se puede medir en días, años,... B / Pn EFICIENCIA El porcentaje de energía que es transferida desde un nivel trófico al siguiente Es la parte de la producción neta de un determinado nivel trófico que se convierte en Pn del nivel siguiente Mide la cantidad de energía incorporada a un nivel trófico respecto del total asimilado Pn/Pn del nivel anterior. 100 Pn/Pb. 100

16 Las pirámides ecológicas CONSUMIDORES PRIMARIOS PRODUCTORES Cada superficie es proporcional al parámetro que esté representado: Energía acumulada Biomasa Nº de individuos Pirámides de energía : Siguen la regla del 10 % Pirámides de energía : Siguen la regla del 10 % Pirámides de biomasa En ecosistemas terrestres grandes diferencias entre sus niveles Pueden ser invertidas Pirámides de biomasa En ecosistemas terrestres grandes diferencias entre sus niveles Pueden ser invertidas Pirámides de números Pueden resultar invertidas Pirámides de números Pueden resultar invertidas

17 Factores limitantes de la producción primaria Factor limitante Factor del medio (luz, Tª, humedad) o elemento (P,N,Ca, K,…) que escasea en el medio, y que limita el crecimiento de los seres vivos Ley del mínimo de LIEBEG : El crecimiento de una especie vegetal se ve limitado por el único elemento que se encuentra en una cantidad inferior a la mínima necesaria y que actúa como factor limitante: Los principales factores limitantes de la producción primaria : Humedad Temperatura Falta de nutrientes Ausencia de luz

18 Energías externas, de apoyo o auxiliares Energías necesarias para la producción primaria Energía solar, se denomina la ENERGÍA INTERNA La cantidad solar utilizada para la fotosíntesis es del 006 al 009 del total incidente Aportadas por seres humanos: ENERGÍAS DE APOYO Y AUXILIARES: Maquinaria, riego, invernaderos, plaguicidas, abonos químicos, selección de semillas, combustibles fósiles,.. Energías de procedencia solar: las ENERGÍAS EXTERNAS: Ciclo del agua, vientos, desplazamientos de aguas, variaciones de temperatura, lluvias, movimientos de nutrientes

19 Humedad y Temperatura En áreas continentales Principales factores limitantes: Tª y humedad Si la Tª es muy alta se desnaturalizan proteínas y decrece la PP Atmósfera: 21 % de O 2 y 0003 % CO 2 RuBisCo Fotosíntesis CO 2 H 2 O Formación de materia orgánica y desprendimiento de oxígeno

20 Temperatura y humedad Si bajan los niveles de CO 2 y suben los niveles de O 2 RuBisCo O 2 Fotorrespiración Proceso parecido a la respiración Ocurre en presencia de luz A la vez que la fotosíntesis, que se ralentiza No se forma materia orgánica Se consume oxígeno y se desprende dióxido de C El proceso sigue hasta equilibrar los niveles de ambos gases Disminuye la eficiencia fotosintética Se rebaja la producción de materia orgánica

21 Adaptación de las plantas a condiciones de humedad y eficiencia en el uso del agua Plantas C 3 Nº de átomos de C del primer compuesto sintetizado en la fotosíntesis Trigo, patata, cebada, soja, arroz, tomate, algodón, judías, … Pierden mucho agua a través de los estomas Ningún problema en climas húmedos SEQUÍA Se cierran los estomas Aumenta el oxígeno Disminuye el CO 2 Fotorrespiración Se reduce la eficiencia fotosintética

22 Adaptación de las plantas a condiciones de humedad y eficiencia en el uso del agua Plantas C 4 Nº de átomos de C del primer compuesto sintetizado en la fotosíntesis Maíz, caña de azúcar, sorgo, mijo,… Mecanismo que les permite bombear el CO 2 y acumularlo en sus hojas Evitan la fotorrespiración Mayor producción de materia orgánica Cactus y plantas del desierto Adaptaciones morfológicas Mecanismo CAM Cierran los estomas durante el día Fijan el CO 2 durante la noche Fotosíntesis con el almacenado durante el día

23 Adaptaciones a las bajas temperaturas Predominio de las plantas herbáceas Estructuras hibernantes subterráneas: BulbosBulbos, tubérculos, rizomastubérculosrizomas Fotoperiodo: Época de máximo desarrollo de hojas y flores

24 La falta de nutrientes La eficiencia fotosintética depende de la presencia de ciertos nutrientes Su presencia depende de los mecanismos de reciclado, que dependen de las energías externas El C no lo es El N le sigue en importancia El P es el principal Productoresdescomponedores A mayor distancia más energías externas

25 Distancia entre productores y descomponedores: el reciclado de materia Océanos Fotosíntesis en la zona fótica: unos 200 m de profundidad La descomposición de materia orgánica en los fondos Difícil retorno de nutrientes que dificulta la PP Energía externa: el viento en la superficie marina. Se producen afloramientos que arrastra los nutrientes que necesita el fitoplancton en la superficie

26 Distancia entre productores y descomponedores: el reciclado de materia Plataformas costeras Energías externas : oleaje que agita los fondos nutrientes arrastrados por los ríos Nutrientes arrastrados por corrientes superficiales Elevada Productividad Ecosistemas terrestres Menor gasto de energías externas Las distancias entre Productores y descomponedores son mucho menores 20m copa árboles – suelo 0,1-05 m hierba – suelo musgos y líquenes: Se superponen producción y descomposición

27 La luz y la disposición de las unidades fotosintéticas Luz Factor limitante Fondos oceánicos La disposición de las unidades fotosintéticas es en sí mismo un factor limitante para el que no hay solución técnica Los sistemas de captación o fotosistemas, se hacen sombra unos a otros. Cada uno formado por centenares de unidades de captación y un solo centro de reacción: clorofila en la que la energía lumínica comienza su transformación en energía química Aumenta la PP Aún más luz (mediodía) Saturación Disminuye la PP Factor limitante sin solución Aumenta la intensidad de luz

28 Ciclos biogeoquímicos Camino que sigue la materia que escapa de la biosfera hacia otros subsistemas terrestres (A, H, L) antes de retornar a la B. El tiempo de permanencia de los elementos en los distintos subsistemas es muy variable Se llama reserva o almacén al lugar donde la permanencia es máxima. Los ciclos tienden a ser cerrados. Las actividades humanas ocasionan apertura y aceleración de los ciclos contraviniendo el principio de sostenibilidad de reciclar al máximo la materia. Esto origina que se escapen nutrientes y se produzcan desechos

29 El ciclo del CARBONO CO 2 atmosférico Fotosíntesis Difusión directa: paso a la hidrosfera Consumidores R e s p i r a c i ó n Restos orgánicos Descomponedores Combustibles fósiles Enterramiento geológico Extracción Combustión CO 2 disuelto Ecosistemas acuáticos Rocas calizas Carbonatadas Y silicatos cálcicos Ciclo de la rocas Erupciones volcánicas

30 Ciclo del carbono El principal depósito es la atmósfera El principal depósito es la atmósfera El ciclo biológico del C es la propia Biosfera quien controla los intercambios de este elemento con la atmósfera … El ciclo biológico del C es la propia Biosfera quien controla los intercambios de este elemento con la atmósfera … Se fija por la fotosíntesis y el intercambio por difusión directa con la hidrosfera Se fija por la fotosíntesis y el intercambio por difusión directa con la hidrosfera Se devuelve a la atmósfera por la respiración de seres vivos Se devuelve a la atmósfera por la respiración de seres vivos El ciclo biológico moviliza cada año el 5 % del CO 2 atmosférico en 20 años se renueva totalmente …. El ciclo biológico moviliza cada año el 5 % del CO 2 atmosférico en 20 años se renueva totalmente …. Sumideros fósiles: Sumideros fósiles: Almacén de Carbono Almacén de Carbono La materia orgánica sepultada y en ausencia de oxígeno fermentaciones bacterianas que la transforman en carbones y petróleos La materia orgánica sepultada y en ausencia de oxígeno fermentaciones bacterianas que la transforman en carbones y petróleos Esto supone una rebaja importante de los niveles de dióxido de C en la atmósfera Esto supone una rebaja importante de los niveles de dióxido de C en la atmósfera El retorno del CO 2,almacenado durante millones de años, a la atmósfera El retorno del CO 2,almacenado durante millones de años, a la atmósfera

31 Paso del CO 2 de la atmósfera a la litosfera y su retorno ROCAS CARBONATADAS CO2 +H2O+CaCO3Ca2+ +2HCO3- 1 ROCAS SILICATADAS 2CO2 +H2OCaSiO3 +2HCO3-Ca2+ ++SiO2 2 En el mar, los animales marinos transforman el bicarbonato y los iones de Calcio en carbonato que incorporan en sus tejidos endurecidos 2HCO3- +Ca2+CaCO3 +CO2 +H2O 3 Balances El carbonato formará parte de los sedimentos No hay pérdidas netas del dióxido atmosférico Sólo devuelven a la atmósfera 1 CO 2 sumideros Retorno Desde la litosfera

32 El ciclo del FÓSFORO Sedimentos y rocas sedimentarias FOSFATOS ProductoresConsumidores Descomponedores Ecosistemas acuáticos Retorno a tierra Colonias de aves marinas en la costa pacífica de Sudamérica GUANO Excrementos A b o n o f o s f a t a d o e n a g r i c u l t u r a

33 El ciclo del fósforo El P no se presenta en forma gaseosa, no puede tomarse del aire El P no se presenta en forma gaseosa, no puede tomarse del aire La mayoría está inmovilizado en los sedimentos oceánicos La mayoría está inmovilizado en los sedimentos oceánicos Se libera muy lentamente, por meteorización de rocas fosfatadas Se libera muy lentamente, por meteorización de rocas fosfatadas Principal factor limitante recurso no renovable Principal factor limitante recurso no renovable Fosfatos liberados por rocas fosfatadas y cenizas volcánicas son transportadas por aguas corrientes hasta lagos o el mar precipitan y forman los almacenes sedimentarios Fosfatos liberados por rocas fosfatadas y cenizas volcánicas son transportadas por aguas corrientes hasta lagos o el mar precipitan y forman los almacenes sedimentarios Tiempo de permanencia en ecosistemas terrestres: 100 a años Tiempo de permanencia en ecosistemas terrestres: 100 a años Tiempo de permanencia en los ecosistemas acuáticos: 1 a 10 años Tiempo de permanencia en los ecosistemas acuáticos: 1 a 10 años El hombre elabora abonos utilizando las reservas minerales en rocas sedimentarias. El hombre elabora abonos utilizando las reservas minerales en rocas sedimentarias. El P es poco abundante en los seres vivos (1 % en animales y 02 % en vegetales) pero importante: El P es poco abundante en los seres vivos (1 % en animales y 02 % en vegetales) pero importante: Huesos, caparazones Huesos, caparazones ATP, ADN y ARN, NADP, NADPH ATP, ADN y ARN, NADP, NADPH

34 El ciclo del NITRÓGENO N 2 atmosférico Fijación Industrial NITRATOS atmosférica Biológica Productores Consumidores Descomponedores Disolución y transporte Medio acuático Procesos de putrefacción de la materia orgánica muerta NH 3 B a c t e r i a s n i t r i f i c a n t e s Bacterias desnitrificantes Erupciones volcánicas

35 El ciclo del nitrógeno El nitrógeno libre forma el 78 % de la atmósfera El nitrógeno inerte es prácticamente inaccesible para la mayoría de los seres vivos. Otros componentes atmosféricos: NH3, de las emanaciones volcánicas, y Nox que se forman en las tormentas eléctricas Fijación industrial: por el método Haber-Bosch: se pasa del N2 a formas activas de forma parecida a la fijación atmosférica y a la combustión a altas temperaturas amoníaco y fertilizantes Fijación atmosférica: tormentas eléctricas Fijación biológica: bacterias y hongos que transforman el N2 atmosférico en nitratos disponibles para las plantas: Bacterias: Azotobacter (suelo), cianobacterias (fitoplancton) y Rhizobium (simbiosis en las raíces de leguminosas) Hongos: gen. Frankia, actinomiceto que forma nódulos radiculares con árboles como el aliso La mayor parte del nitrógeno disponible para los seres vivos (93 %) procede de la actividad de los descomponedores

36 PROCESOS DE NITRIFICACIÓN NITRIFICACIÓN: reacciones químicas de formación de nitratos NITRIFICACIÓN: reacciones químicas de formación de nitratos Una de ellas es la fijación biológica Una de ellas es la fijación biológica Otra, a partir del amoníaco con intervención de las bacterias nitrificantes: Otra, a partir del amoníaco con intervención de las bacterias nitrificantes: NH 3 NO 2 - NO 3 - NitrosomonasNitrobacter Las bacterias desnitrificantes empobrecen el suelo en nitrógeno Las bacterias desnitrificantes empobrecen el suelo en nitrógeno Actúan cuando el suelo se encharca condiciones anaeróbicas Actúan cuando el suelo se encharca condiciones anaeróbicas También actúan cuando el suelo sufre un pisoteo excesivo. (sobrepastoreo) También actúan cuando el suelo sufre un pisoteo excesivo. (sobrepastoreo) Las erupciones volcánicas emiten a la atmósfera Nitrógeno gaseoso, amoniaco y óxidos de nitrógeno (especialmente NO)

37 La intervención humana en el ciclo del nitrógeno Procesos de combustión a altas temperaturas motores Reacción de N 2 y O 2 NO 2 + vapor de agua Ácido nítrico Lluvia ácida Nitratos Suelo Fijación industrial y abonado excesivo Liberación de N 2 O a la atmósfera Potente gas de efecto invernadero Fertilización excesiva Aumenta el crecimiento vegetal Escasez de otros nutrientes: calcio, magnesio, etc Eutrofización del medio acuático

38 El ciclo del AZUFRE Sulfatos: SO 4 2- precipitación Yesos Suelos: SO 4 2- Productores Consumidores H2SH2S B a c t e r i a s s u l f a t o r r e d u c t o r a s Sulfuros de Fe Carbones y petróleos Pizarras y otras rocas con sulfuros Erupciones volcánicas H 2 S a la atmósfera SO 2 a la atmósfera Quema de combustibles fósiles SO 3 H 2 SO 4 L l u v i a á c i d a A l g a s D M S

39 El ciclo del azufre El principal almacén de sulfatos es la hidrosfera. El principal almacén de sulfatos es la hidrosfera. La transferencia entre la tierra y el océano es bastante lenta La transferencia entre la tierra y el océano es bastante lenta Por evaporación de lagos y mares poco profundos los sulfatos se depositan formando yesos Por evaporación de lagos y mares poco profundos los sulfatos se depositan formando yesos Los sulfatos son abundantes en los suelos, se pierden por lixiviado, pero son repuestos por las lluvias Los sulfatos son abundantes en los suelos, se pierden por lixiviado, pero son repuestos por las lluvias Sólo plantas, bacterias y hongos incorporan directamente el sulfato Sólo plantas, bacterias y hongos incorporan directamente el sulfato SO 4 2- SO 3 H 2 S utilizable en la biosíntesis vegetal SO 4 2- SO 3 H 2 S utilizable en la biosíntesis vegetal Al morir los seres vivos liberan el sulfuro de hidrógeno a los demás subsistemas terrestres Al morir los seres vivos liberan el sulfuro de hidrógeno a los demás subsistemas terrestres En océanos profundos y lugares pantanosos, en ausencia de oxígeno, liberando oxígeno para la respiración de otros seres vivos En océanos profundos y lugares pantanosos, en ausencia de oxígeno, liberando oxígeno para la respiración de otros seres vivos El sulfuro puede alcanzar lugares oxigenados donde forma de nuevo sultato, mediante proceso fotosintético o quimiosintético, en presencia o ausencia de luz y por la acción de bacterias quimiosintéticas El sulfuro puede alcanzar lugares oxigenados donde forma de nuevo sultato, mediante proceso fotosintético o quimiosintético, en presencia o ausencia de luz y por la acción de bacterias quimiosintéticas Los sulfuros pueden precipitar en forma de piritas. Pueden ser atrapados en sedimentos arcillosos, carbones y petróleos Los sulfuros pueden precipitar en forma de piritas. Pueden ser atrapados en sedimentos arcillosos, carbones y petróleos


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