Relación entre ecosistemas, flujo de energía y ciclos biogeoquímicos

Tipo de ecosistemas Acuáticos. Dulce acuícolas, manglares, marinos. Terrestres o aéreos: desierto, estepas, bosques, selvas, etc.

Dinámica de los Ecosistemas La de poseer una organización. Y esta organización se mantiene gracias a los aportes continuos de información que toma del exterior y, muy especialmente, a los procesos de autorregulación que tienen lugar en su interior. Mediante estos procesos el sistema controla el resultado de sus acciones anteriores y regula sus acciones futuras, tomando como referencia la información que tiene de las pasadas.

Procesos en el Ecosistema- Flujo de energía   Una de las interacciones más importantes entre los organismos vivos y su ambiente está en la provisión de alimento. Esto implica no sólo el suministro de energía para sobrevivir sino también de materia prima para la producción de los tejidos celulares y, siendo indispensable también para la fabricación de gametos garantizando de esta forma la reproducción y, por ende, la continuidad de las especies. Sobre la tierra, la fuente última de energía para la vida es la radiación solar o luz y ésta es finalmente reirradiada de nuevo al espacio como calor. Fuente de energía En el ambiente hay básicamente dos fuentes de energía: autótrofa y heterótrofa. La producción autótrofa de materia orgánica rica en energía se lleva a cabo dentro del ecosistema por las plantas verdes en presencia de luz por vía del proceso de fotosíntesis. También se produce algo de energía en los ecosistemas marinos profundos alrededor de chimeneas hidrotérmicas por bacterias oxidantes de azufre. Las plantas verdes y las bacterias quimiosintéticas se llaman autótrofas. Por el contrario, una fuente de energía heterótrofa es aquella en que la energía química se importa como materia orgánica que se originó de la producción primaria de un autótrofo.

Fotosíntesis Todas las plantas verdes crean su propio alimento mediante una compleja serie de reacciones químicas impulsadas por la radiación solar. Mucha de la energía solar que incide en la tierra se encuentra en la parte ultravioleta e infrarroja del espectro, la cual no es efectiva para la fotosíntesis. Cerca del 45% de la energía radiante total se encuentra entre la parte visible del espectro (400-700 nm), la cual se absorbe por los pigmentos fotosintéticos. Cerca del 30% de esta energía disponible se disipa en absorción inactiva, con el restante 70% útil para la formación de intermediarios fotoquímicos que transfieren su energía a la fotosíntesis. Después de unas complicadas transferencias de energía, en las cuales se produce una importante pérdida, sólo el 9 % de la energía del sol puede transformarse en compuestos estables de carbono, oxígeno e hidrógeno (CH2O). Esta energía se convierte en unos 165 g de materia orgánica/m2 día (límite superior de la producción bruta) que debe repartirse en la planta, entre la respiración y la producción neta. Aunque puede parecer que la eficiencia teórica del 9% sea excesivamente pequeña, la fotosíntesis es uno de los procesos fotoquímicos más eficientes que se conocen. Los organismos fotosintéticos pueden llamarse organismos transformadores al presentar la única forma biológica importante por la cual la vasta energía solar es transformada en energía de enlace químico que mantiene la vida. Por estas razones la producción primaria es un proceso clave en los ecosistemas.

Eficiencia de la FOTOSÍNTESIS Eficiencia: Con este término se quiere expresar el aprovechamiento real de los flujos de energía por parte de los organismos, agrupados en sus respectivos niveles tróficos. La energía que fluye a lo largo de una pirámide trófica se va reduciendo progresivamente a medida que se acerca a su cúspide. Esto es así porque no todo el alimento consumido (es decir, la parte de biomasa tomada del nivel inferior) se aprovecha totalmente para producir nueva biomasa (o sea para el crecimiento de los organismos y para la reproducción). En cada paso, en cada salto de un nivel trófico a otro, se pierde una determinada cantidad de energía, la cual se disipa mayormente en forma de calor, y no puede ser aprovechada por el ecosistema, sino que se difunde por el medio, desvaneciéndose.

Conociendo las fuentes de entrada y salida de energía en el sistema, pueden realizarse estimaciones acerca de la producción máxima posible en la Tierra a partir de la eficiencia máxima potencial de la fotosíntesis (Loomis y Williams 1963). La incidencia máxima de energía solar sobre la superficie del globo puede calcularse en unas 7000 kcal/m2 día y dicho valor puede alcanzarse en latitudes templadas durante el verano, o las zonas tropicales en cualquier día despejado (Szeicz 1968). Este valor, es pues, el limite superior de la entrada de energía en el ecosistema. Mucha de esta energía, sin embargo, se encuentra en la parte ultravioleta o infrarroja del espectro, la cual no es efectiva en la fotosíntesis. Cerca del 45% de la energía radiante total, como se ha mencionado anteriormente, es absorbida por los pigmentos fotosintéticos. Como resultado de esto, podemos determinar, que el 55% de la energía restante queda sin utilizarse.

La mayoría de las hojas verdes absorben la gran parte de energía (cerca del 90%) en la parte visible del espectro y reflejan y transmiten la mayor parte de la luz en la sección ultravioleta e infrarrojo. De las 7000 kcal iniciales, cerca de 2755 kcal pueden invertirse potencialmente en el proceso de la fotosíntesis (Mahler y Cordes 1966). De la energía radiante total que llega a los productores primarios en un día muy claro y soleado, solo el 28% se absorbe de una forma que pueda llegar a formar parte de la energía del ecosistema. Un máximo teórico del 9% de la energía del sol puede transformarse en compuestos estables de carbono (C), oxígeno (O2) e hidrógeno (H). Estas 635 kcal/m2 día, el límite superior de la producción bruta, se convierte en una masa de unos 165 g de materia orgánica/m2 día que se deberá repartir en la planta, entre la respiración y la producción neta. Aunque pueda parecer que la eficiencia teórica del 9% y la eficiencia efectiva de un 4,5% sean excesivamente pequeñas, la fotosíntesis es uno de los procesos fotoquímicos mas eficientes que se conocen (Price 1970

En estos mecanismos de regulación se basa uno de los modelos básicos en ecología: El modelo se basa en que el número de presa aumenta proporcionalmente al aumento del número de depredadores. Evidentemente, esto provocará una disminución del número de presas, lo que conlleva que ya no habrá suficiente alimento para todos los depredadores, y su población, por tanto, disminuirá. Al disminuir la presión de la caza sobre su número, la población de depredadores iniciándose así otra vez el circuito. De esta manera los ecosistemas se autorregulan y mantienen un equilibrio dinámico, del que no se apartan demasiado. Por esta razón, al estudiar un ecosistema en un momento determinado sabemos que, con toda probabilidad, podrá evolucionar en unas direcciones determinadas, siempre que las influencias exteriores no sean suficientemente fuertes como para desequilibrar el sistema de un modo catastrófico.

Cuanto más complejo es un ecosistema, mayor es la cantidad de información que contiene y, por tanto, menor es su dependencia del medio externo porque es mayor su capacidad de autorregulación. Con ello se consigue su objetivo principal, que es la persistencia, la capacidad de sobrevivir y perdurar.

Elementos químicos en el ecosistema. Los seres vivos están formados por elementos químicos, fundamentalmente por oxígeno, hidrógeno, carbono y nitrógeno que, en conjunto, suponen más del 95% de peso de los seres vivos. El resto es fósforo (P), azufre (S), calcio (Ca), potasio (K), y un largo etcétera de elementos presentes en cantidades muy pequeñas, aunque algunos de ellos muy importantes para el metabolismo. Estos elementos también se encuentran en la naturaleza no viva, acumulados en depósitos. Así, en la atmósfera hay O2, N2 y CO2. En el suelo H2O, nitratos, fosfatos y otras sales. En las rocas fosfatos, carbonatos, etc.    Transferencia cíclica de los elementos Algunos seres vivos son capaces de captarlos de los depósitos inertes en los que se acumulan. Después van transfiriéndose en las cadenas tróficas de unos seres vivos a otros, siendo sometidos a procesos químicos que los van situando en distintas moléculas. 

Así, por ejemplo, el N es absorbido del suelo por las raíces de las plantas en forma de nitrato; en el metabolismo de las plantas pasa a formar parte de proteínas y ácidos nucleicos (químicamente hablando ha sufrido una reducción); los animales tienen el N en forma de proteínas y ácidos nucleicos, pero lo eliminan en forma de amoniaco, urea o ácido úrico en la orina. El ciclo lo cierran bacterias del suelo que oxidan el amoniaco a nitratos. Por otros procesos el N puede ser tomado del aire por algunas bacterias que lo acaban dejando en forma de nitratos o también puede ser convertido a N2 gas por otras bacterias que lo devuelven a la atmósfera.  Los ciclos de los elementos mantienen una estrecha relación con el flujo de energía en el ecosistema, ya que la energía utilizable por los organismos es la que se encuentra en enlaces químicos uniendo los elementos para formar las moléculas.

La energía sigue un curso unidireccional a través del ecosistema, pero muchas sustancias ciclan una y otra vez por medio del sistema. Tales materiales incluyen agua (H2O), nitrógeno (N2), carbono (CO), fósforo (P), potasio (K), azufre (S), magnesio (Mg), calcio (Ca), sodio (Na), cloro (Cl) y también algunos otros metales, como el hierro (Fe) y el cobalto, que son necesarios para los organismos vivos, aunque en pequeñas cantidades. Los movimientos de las sustancias inorgánicas constituyen lo que se denominan ciclos biogeoquímicos, debido a que abarcan elementos constitutivos del ecosistema que pueden ser objeto de estudio tanto de Geología como de la Biología. Las divisiones del entorno geológico son: la atmósfera la corteza sólida de la tierra los océanos, lagos y ríos   Los componentes biológicos de los ciclos biogeoquímicos incluyen los productores, consumidores y detritívoros (tanto los carroñeros, como los descomponedores). Como resultado del trabajo metabólico de los descomponedores, se liberan sustancias inorgánicas de los compuestos orgánicos y retornando de esta manera al suelo o al agua. Desde allí, los materiales inorgánicos pasan nuevamente a los tejidos de los productores, donde prosiguen hacia los consumidores y luego a los detritívoros, a partir de los cuales retornan nuevamente a los productores, iniciándose de esta manera el ciclo.