Circulación de materia y energía en la biosfera

Ecología y Ecosistemas 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 Factores abióticos Luz Aire Temperatura Sustrato Agua Poblaciones de seres vivos Medio físico Factores bióticos

Ecosfera y Biomas ECOSFERA: BIOMAS: 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 Caracterizados por un clima determinado Poseen una flora y una fauna asociadas Ej: selva tropical, desierto, sabana, tundra, etc Determinado por las condiciones ambientales de una región geográfica

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 Energía solar BIOSFERA Calor ATMÓSFERA HIDROSFERA GEOSFERA

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

Primer nivel trófico: PRODUCTORES

CONSUMIDORES

Ciclo de materia y flujo de energía

Los parámetros tróficos Nos miden la rentabilidad de cada nivel trófico o del ecosistema completo

LA PRODUCCIÓN (P) P = representa la cantidad de energía que fluye por cada nivel trófico Pb PRODUCCIÓN BRUTA Energía fijada por unidad de tiempo Productores  total fotosintetizado/ día o año Consumidores  alimento asimilado/alimento ingerido Representa el aumento de biomasa por unidad de tiempo Pn PRODUCCIÓN NETA Energía almacenada por unidad de tiempo Se obtiene restando a la Pb la energía consumida en el proceso respiratorio de automantenimiento Pn = Pb - R

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 Energía solar Respiración Respiración Respiración Pb carnívoros Pb de los herbívoros Productores PPb PPn Pn Pn E no utilizada Energía no asimilada E no asimilada Energía no utilizada Descom- ponedores Calor

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, ... Alta productividad Tiempo de renovación corto Conocida como tasa de renovación Mide la velocidad con que se renueva la biomasa

Eficiencia de los productores: 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 La eficiencia ecológica es la parte de la producción neta de un determinado nivel trófico que se convierte en Pn del nivel siguiente Pn/Pn del nivel anterior . 100 Eficiencia de los productores: Energía asimilada/energía incidente Valores < 2 % Rentabilidad de los consumidores: Pn/alimento total ingerido Engorde/alimento ingerido

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

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

Factores limitantes de la producción primaria 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 Factor limitante 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

Energías externas, de apoyo o auxiliares

Humedad y Temperatura En áreas continentales Atmósfera: Si la Tª es muy alta se desnaturalizan proteínas y decrece la PP Principales factores limitantes: Tª y humedad En áreas continentales Atmósfera: 21 % de O2 y 0’003 % CO2 CO2 Fotosíntesis RuBisCo H2O Formación de materia orgánica y desprendimiento de oxígeno

Temperatura y humedad Si bajan los niveles de CO2 y suben los niveles de O2 O2 Fotorrespiración RuBisCo 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 Disminuye la eficiencia fotosintética Se rebaja la producción de materia orgánica El proceso sigue hasta equilibrar los niveles de ambos gases

Nº de átomos de C del primer compuesto sintetizado en la fotosíntesis Adaptación de las plantas a condiciones de humedad y eficiencia en el uso del agua Plantas C3 Nº de átomos de C del primer compuesto sintetizado en la fotosíntesis Trigo, patata, cebada, soja, arroz, tomate, algodón, judías, … SEQUÍA Se cierran los estomas Pierden mucho agua a través de los estomas Aumenta el oxígeno Disminuye el CO2 Ningún problema en climas húmedos Fotorrespiración Se reduce la eficiencia fotosintética

Nº de átomos de C del primer compuesto sintetizado en la fotosíntesis Adaptación de las plantas a condiciones de humedad y eficiencia en el uso del agua Plantas C4 Nº de átomos de C del primer compuesto sintetizado en la fotosíntesis Maíz, caña de azúcar, sorgo, mijo,… Mecanismo que les permite bombear el CO2 y acumularlo en sus hojas Cactus y plantas del desierto Adaptaciones morfológicas Mecanismo CAM Evitan la fotorrespiración Cierran los estomas durante el día Fijan el CO2 durante la noche Fotosíntesis con el almacenado durante el día Mayor producción de materia orgánica

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

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 Productores descomponedores A mayor distancia  más energías externas

Distancia entre productores y descomponedores: el reciclado de materia

Distancia entre productores y descomponedores: el reciclado de materia Plataformas costeras Ecosistemas terrestres Energías externas: oleaje que agita los fondos nutrientes arrastrados por los ríos Nutrientes arrastrados por corrientes superficiales Menor gasto de energías externas Las distancias entre Productores y descomponedores son mucho menores 20m copa árboles – suelo 0,1-0’5 m hierba – suelo musgos y líquenes: Se superponen producción y descomposición Elevada Productividad

La luz y la disposición de las unidades fotosintéticas Factor limitante Fondos oceánicos Luz 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 intensidad de luz Factor limitante sin solución

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

El ciclo del CARBONO Erupciones volcánicas Ciclo de la rocas CO2 atmosférico Respiración Difusión directa: paso a la hidrosfera Fotosíntesis Consumidores CO2 disuelto Combustión Restos orgánicos Ecosistemas acuáticos Extracción Rocas calizas Carbonatadas Y silicatos cálcicos Combustibles fósiles Descomponedores Enterramiento geológico

Ciclo del carbono 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 … 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 El ciclo biológico moviliza cada año el 5 % del CO2 atmosférico  en 20 años se renueva totalmente …. Sumideros fósiles: Almacén de Carbono 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 El retorno del CO2 ,almacenado durante millones de años, a la atmósfera

Paso del CO2 de la atmósfera a la litosfera y su retorno Desde la litosfera ROCAS CARBONATADAS 1 CO2 + H2O + CaCO3 Ca2+ + 2HCO3- ROCAS SILICATADAS 2 2CO2 + H2O + CaSiO3 Ca2+ + 2HCO3- + SiO2 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 El carbonato formará parte de los sedimentos No hay pérdidas netas del dióxido atmosférico 1 3 Balances + 2 3 + Sólo devuelven a la atmósfera 1 CO2  sumideros

El ciclo del FÓSFORO FOSFATOS Sedimentos y rocas sedimentarias Descomponedores Consumidores Productores Abono fosfatado en agricultura Ecosistemas acuáticos Retorno a tierra Colonias de aves marinas en la costa pacífica de Sudamérica Excrementos GUANO

El ciclo del fósforo El P no se presenta en forma gaseosa, no puede tomarse del aire La mayoría está inmovilizado en los sedimentos oceánicos Se libera muy lentamente, por meteorización de rocas fosfatadas 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 Tiempo de permanencia en ecosistemas terrestres: 100 a 10.000 años Tiempo de permanencia en los ecosistemas acuáticos: 1 a 10 años El hombre elabora abonos utilizando las reservas minerales en rocas sedimentarias. El P es poco abundante en los seres vivos (1 % en animales y 0’2 % en vegetales) pero importante: Huesos, caparazones ATP, ADN y ARN, NADP, NADPH

El ciclo del NITRÓGENO Bacterias nitrificantes Erupciones volcánicas N2 atmosférico Fijación Descomponedores Biológica atmosférica Industrial Medio acuático Productores Consumidores NITRATOS Disolución y transporte Procesos de putrefacción de la materia orgánica muerta Bacterias nitrificantes NH3 Bacterias desnitrificantes

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

PROCESOS DE NITRIFICACIÓN NITRIFICACIÓN: reacciones químicas de formación de nitratos Una de ellas es la fijación biológica Otra, a partir del amoníaco con intervención de las bacterias nitrificantes: Nitrosomonas Nitrobacter NH3 NO2- NO3- Las bacterias desnitrificantes empobrecen el suelo en nitrógeno Actúan cuando el suelo se encharca  condiciones anaeróbicas 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)

La intervención humana en el ciclo del nitrógeno Procesos de combustión a altas temperaturas Reacción de N2 y O2 motores + vapor de agua Nitratos Lluvia ácida Ácido nítrico NO2 Suelo Liberación de N2O a la atmósfera Fijación industrial y abonado excesivo Potente gas de efecto invernadero Fertilización excesiva Eutrofización del medio acuático Escasez de otros nutrientes: calcio, magnesio, etc Aumenta el crecimiento vegetal

Erupciones volcánicas El ciclo del AZUFRE H2S a la atmósfera Erupciones volcánicas Quema de combustibles fósiles H2SO4 SO2 a la atmósfera SO3 Consumidores Productores Algas DMS Lluvia ácida Suelos: SO42- H2S Bacterias sulfatorreductoras Sulfatos: SO42- precipitación Sulfuros de Fe Carbones y petróleos Pizarras y otras rocas con sulfuros Yesos

El ciclo del azufre El principal almacén de sulfatos es la hidrosfera. 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 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 SO42-  SO3  H2S utilizable en la biosíntesis vegetal 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 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