PRODUCTIVIDAD EN ECOSISTEMAS ECOLOGIA II

Los ecosistemas son sistemas procesadores de energía, en los que los procesos ecológicos vitales como el ciclado de nutrientes son operaciones que consumen energía. Los esfuerzos analíticos destinados a deducir la optimización funcional de los ecosistemas deben evaluar los “costes” energéticos de la función del sistema en el contexto de los procesos internos del sistema. Todos los ecosistemas, independientemente de su tipo o complejidad parecen exhibir propiedades comunes de persistencia y crecimiento. Cualquier concepto sobre la función del ecosistema debe reconocer que los ecosistemas son unidades procesadoras de energía reguladas por los ciclos de elementos nutrientes en el sistema, a la vez que inextricablemente ligadas a ellos.

Variables de estado del ecosistema y el ambiente biológico Los cuatro puntos anteriores definen los componentes esenciales para la función y persistencia del ecosistema. Una base de energía solar, organismos reguladores y de un fondo de energía orgánica. A este nivel se hallan mezclados inextricablemente el flujo de energía y el ciclado de los elementos. Metabolismo del ecosistema: al analizar al ecosistema en términos de los costos energéticos del intercambio material, se hace posible establecer un marco de referencia común para el metabolismo comparado del ecosistema.

En el concepto de función de ecosistema, la sucesión biológica no se considera como un principio fundamental de la función del ecosistema, el resultado final es un estado de biomasa persistente máxima.

BIOSFERA

Productividad comparada

Modelos de productividad

Distribución de ecosistemas

DEFINICIÓN DE PRODUCCIÓN PRIMARIA Producción , término empleado para describir los , procesos de entrada de energía y almacenamiento en los ecosistemas Producción Primaria.- Entradas en las que se transforma la energía luminosa en energía química por los productores. Producción primaria bruta y Producción primaria neta Producción Secundaria.- Entradas de energía en animales y algunos microorganismos La Unidad básica del metabolismo es siempre el organismo, incluso si los individuos están conjuntados en comunidades

LEYES DE LA TERMODINÁMICA Primera Ley La entrada de energía en un sistema se emplea para realizar un trabajo o queda almacenada en el sistema Se formula como: Q = ΔΕ + W Q es la entrada de energía en el sistema ΔΕ es el cambio de energía en el sistema W es el trabajo realizado por el sistema

Leyes de la termodinámica en ecosistemas En ecología esta primera ley de la termodinámica se ha expresado en la forma siguiente: PB = PN + R PB es la producción bruta , o la tasa de energía que se , invierte en el ecosistema PN es la producción neta o la tasa de acumulación de energía en el ecosistema R es la respiración o la tasa de conversión de energía en trabajo en el ecosistema BIOMASA.- Contenido total de energía almacenada en los organismos

Segunda Ley de la termodinámica La entropía de un sistema aislado siempre aumenta. La entropía es una medida de aleatoriedad, desorden o caos en un sistema S → max Los ecosistemas naturales presentan un elevado orden Sistemas cerrados.- Procesos irreversibles, aumento de la energía Sistemas abiertos.- Disminución de la entropía por entrada de energía externa

EFICIENCIA FOTOSINTÉTICA Incidencia Máxima: (7000 Kcal./m m2 día) 45% del total (400-700 nm) ⇒ 55% de energía no se utiliza 30% se disipa en absorción inactiva, la restante se emplea para la formación de intermediarios fotoquímicos que transfieren su energía desde la fotosíntesis De la energía total que llega a los productores primarios, solo el 28% se absorbe y puede llegar a formar parte de la energía del ecosistema En definitiva un 9% de la energía del Sol, puede transformarse en compuestos estables de carbono, oxígeno e hidrógeno (CH2O)

Consideraciones La fotosíntesis es uno de los procesos fotoquímicos más eficientes que se conocen Los organismos fotosintéticos, son la única forma biológica importante por la cual la energía solar es transformada en energía de enlace químico

TIPOS DE FOTOSÍNTESIS La Fotosíntesis es el punto inicial para el estudio del metabolismo de comunidades La Fotosíntesis se puede expresar con la siguiente ecuación: 12 H2O + 6 CO2 + E. solar → C6H12 O6 + 6 O2 + 6 H2O La Respiración es opuesta a la Fotosíntesis: C6H12 O6 + O2 → CO2 + H2O + Energía para trabajo y mantenimiento

Producción Primaria Neta En equilibrio la Fotosíntesis igualaría a la Respiración y a ello se da el nombre de Punto de Compensación ¿Qué parte de la energía fijada por fotosíntesis pierden las plantas por respiración? En los bosques (del 50 al 75%) Comunidades herbáceas (del 45 al 50%) El resultado de estas pérdidas es que para una amplia gama de ecosistemas terrestres, casi el 1% de la luz solar recibida se transforma en Producción Primaria Neta

Tipos de organismos fotosintéticos PLANTAS Propiedad C3 C4 CAM Saturación de luz Pequeña (1/4 de la solar) Grande (Excede la del sol) Pequeña Temperatura óptima Moderada Alta 35 º C Tasa fotosintética (mg CO2/dm2 hoja por hr) Producción neta máx. (g/m m2 por día) Pérdida de agua (g H2O/g de peso seco) Intensa ?

Plantas C3 Los productos iniciales de la fijación del carbono son ácidos orgánicos tricarboxílicos derivados de la carboxilación y partición de una molécula aceptora de 5 carbonos: ribulosa difosfato (5 C) + CO2 = 2 ácido 2-fosfoglicérico (3 C)

Plantas C4 Los productos estables iniciales de la fotosíntesis son ácidos orgánicos de 4 átomos de carbono, derivados de la carboxilación de una molécula aceptora de 3 carbonos ácido fosfoenolpirúvico (3 C) + CO2 = ácido oxalacético (4 C)

Plantas CAM La fijación de carbono está caracterizada por una secuencia metabólica única, Este tipo es propio de las suculentas (crasuláceas), en la que se produce una doble carboxilación, con las dos reacciones antes descritas

Comparación entre Plantas C3 y CAM La fotosíntesis neta es sólo el 10,7% de las plantas C3 La tasa de pérdida de agua es del 9% de las plantas C3, consiguen un buen ahorro de agua durante el día Las plantas C3 pierden por la noche hasta un 11,5% del carbono fijado durante el día, mientras que las CAM asimilan por la noche CO2, que corresponde al 64% de lo que las plantas C3 fijan durante el día Las plantas C3 pierden cuatro veces más agua por unidad de carbono fijado que las plantas CAM

Comparación entre Plantas C3 y C4 La eficiencia hídrica en las C4, es intermedia entre las C3 y las CAM Las plantas C3 se saturan a un nivel inferior de intensidad lumínica de Sol directo, mientras que en las C4 la actividad fotosintética aumenta de forma lineal hasta intensidades de luz cercanas a la del Sol directo La temperatura óptima de fotosíntesis es superior en las C4

Efecto de la intensidad de luz y temperatura sobre la fotosíntesis de plantas C3 (a) y C4 (b)

Arquitectura de la vegetación Índice foliar Cociente entre la extensión de la superficie foliar y el área de suelo que recubre

Densidad vertical y orientación de las hojas Perfil vertical de las densidades de área foliar: Hojas concentradas en la superficie del tapiz (expansión de hoja ancha) Hojas concentradas a una distancia media entre el suelo y la superficie del tapiz (expansión graminiforme)

Densidad vertical y orientación de las hojas La fotosíntesis neta tiende a concentrarse en la superficie del tapiz horizontal, mientras que en un tapiz graminiforme se concentra en la parte intermedia El ángulo de la hoja con el tallo, influye en la penetración de la luz dentro de la vegetación

PRODUCCIÓN PRIMARIA TERRESTRE La temperatura y la pluviosidad son dos variables climáticas que pueden considerarse de gran importancia como determinantes de la producción primaria terrestre La efectividad de la precipitación depende: Su estado físico (lluvia, nieve) Su intensidad y distribución Del relieve como regulador de la escorrentía y de las propiedades físicas del suelo, que influyen en la disponibilidad del agua

Clima: como determinante de la productividad Variación de la Producción Primaria en función de la precipitación y temperatura media anual

Patrones diarios de asimilación de CO2 por un abeto durante la primavera (a) y verano (b) La fotosíntesis y la respiración resultan afectadas por la temperatura y en la primera también por la intensidad de la luz

Productividad global

Productividad del océano

Evapotranspiración La evapotranspiración es la cantidad de agua que pasa a la atmósfera por evaporación, desde el suelo y la transpiración de las plantas

Distribución de la Producción Primaria, biomasa en pie y entrada de radiación con respecto a las lluvias y temperaturas

Otros controles de la productividad Nutrición de las plantas En muchos ecosistemas, los nutrientes del suelo pueden actuar como limitantes directos La aplicación de fertilizantes en un ecosistema de plantas herbáceas, dio como resultado la producción neta de 43 g/m2 día, mientras que en las áreas de control era de 28 g/m m2 Respuesta ecológica: asociaciones simbióticas y micorrizas

Herbivoria: Efecto producido por los herbívoros en la producción de las partes aéreas de la vegetación Rebrote de gramíneas no cosechadas y cosechadas por pastoreo, en un ecosistema africano Estimulación potencial de la Producción Primaria neta por el consumo de tejidos por herbívoros

Producción de las raíces Los ciclos anuales de biomasa aérea y subterránea tienden a estar relacionados inversamente Configuraciones estacionales del cambio de biomasa en una comunidad de plantas herbáceas en clima templado

Productividad: Es la velocidad de almacenamiento de la energía en el ecosistema y puede subdivirse en: Concepto de: Primaria: Se refiere a la velocidad a que la energía es almacenada por efecto de la actividad fotosintética; este almacenamiento se lleva a cabo en forma de materiales orgánicos susceptibles de ser utilizados como el almidón, la sacarosa y la glucosa que están presentes en hojas, raíces, tallos y frutos de los vegetales. PRODUCTIVIDAD Secundaria: Es la velocidad de almacenamiento de la energía en el nivel de los consumidores y desintegradores; este almacenamiento ocurre en el nivel de la biomasa que constituye el cuerpo de estos organismos.

Productividad primaria, se divide: PRODUCTIVIDAD PRIMARIA BRUTA: Se le denomina así cuando se considera la totalidad de la energía química almacenada por los productores en forma de materia orgánica (incluida la consumida en la respiración). PRODUCTIVIDAD PRIMARIA NETA (PPN): También llamada de asimilación, es denominada así cuando sólo se tiene en cuenta el aumento final de biomasa de los productores. Habitualmente se mide en gramos de peso seco por metro cuadrado de superficie y día.

Fijación de energía (%) Potencial productor de la vegetación mundial: acumulación de materia seca y fijación de energía. Unidad de vegetación Materia seca por un año Equivalentes Fijación de energía (%) Productividad terrestre total 121.7 x 109 ton 2.25 x 1021 J 67% Productividad marina 55 x 109 ton 1.1 x 1021 J 33%

Estructura trófica

Estabilidad Dinámica