Materia y Energía en los Ecosistemas

Los elementos y moléculas que forman un ecosistema se transforman a través de procesos biológicos y geológicos, pero nunca se pierden, sino que se reciclan mediante el ciclo de la materia y el flujo de energía. Los ecosistemas dependen de un suministro continuo de energía, ya que la energía consumida en estos procesos no se puede reciclar.

Ciclo de la Materia

La fuente de materia en los ecosistemas son los elementos químicos y las biomoléculas del biotopo y de la biocenosis. Los organismos autótrofos obtienen los nutrientes del biotopo y fabrican con ellos materia orgánica. Los organismos heterótrofos obtienen los nutrientes de la biocenosis a partir de moléculas orgánicas e inorgánicas. Los nutrientes regresan al suelo o a la atmósfera a través de los desechos de los seres vivos y la descomposición de la materia orgánica cuando mueren.

Flujo de la Energía

Cuando un organismo es fotótrofo, su energía es lumínica y la transforma en energía química. Cuando es quimiótrofo, utiliza la energía química. Estos últimos pueden ser heterótrofos (utilizan la energía de las biomoléculas de los seres vivos) o quimiosintéticos (utilizan la energía química de las reacciones de oxidación de las biomoléculas inorgánicas).

Ciclos Biogeoquímicos

Ciclo del Carbono

El CO₂ es el reservorio principal. Los organismos autótrofos lo utilizan para fabricar biomoléculas mediante la fotosíntesis y la quimiosíntesis. Los animales heterótrofos toman el carbono en forma orgánica, pasándolo de unos niveles a otros. Estos mismos realizan la respiración, devolviendo CO₂ a la atmósfera. Los organismos descomponedores utilizan los residuos de la materia orgánica en descomposición para liberar CO₂ a la atmósfera y formar rocas sedimentarias orgánicas. Los incendios o erupciones volcánicas también liberan CO₂ de forma natural.

Ciclo del Nitrógeno

El reservorio del nitrógeno es la atmósfera, pero este no puede ser utilizado por las plantas sin un paso intermedio. Solo las bacterias fijadoras del nitrógeno son capaces de incorporarlo a su metabolismo y transformarlo en nitrato asimilable. Mediante la fotosíntesis, las plantas incorporan el nitrógeno a biomoléculas como las proteínas. Los residuos de la materia orgánica son transformados en nitrato asimilable por bacterias nitrificantes, pero también puede ser devuelto a la atmósfera por la acción de las bacterias desnitrificantes.

Ciclo del Fósforo

No se presenta en forma gaseosa, solo en las rocas sedimentarias de origen marino. Mediante la fotosíntesis, las plantas incorporan el fosfato a las moléculas orgánicas. La descomposición de la materia orgánica libera fosfatos asimilables por las plantas. Los organismos marinos devuelven, a través de sus excrementos, el fosfato de la cadena alimentaria al sedimento marino.

Ciclo del Azufre

Los organismos autótrofos obtienen el azufre en forma de sulfatos. Este se incorpora a las moléculas orgánicas que fabrican y es transferido a otros seres vivos a través de la alimentación. El azufre que liberan los restos orgánicos en descomposición es oxidado por bacterias, que lo transforman de nuevo en sulfato o lo expulsan a la atmósfera en forma de H₂S. También puede pasar a la atmósfera en forma de SO₂ a través de erupciones volcánicas. El azufre atmosférico es devuelto a los ecosistemas mediante la precipitación.

Niveles y Redes Tróficas

Los ecosistemas dependen del suministro de energía que, principalmente, procede del sol. Los niveles tróficos son las diferentes posiciones en las que se establecen relaciones de interdependencia. Están constituidos por organismos que obtienen la materia y energía de la misma forma:

• Productores
• Consumidores (Primarios: zooplancton y herbívoros; secundarios y terciarios)
• Descomponedores (hongos y bacterias)

Las cadenas tróficas son una representación unidireccional de la transferencia de materia y energía de unos organismos a otros. La red trófica surge porque, en la naturaleza, las cadenas tróficas se encuentran interrelacionadas; por este motivo, se habla de red trófica en lugar de cadena.

Pirámides Tróficas

La cantidad de materia acumulada en cada nivel trófico es la biomasa de ese nivel. Cada nivel se sustenta en el siguiente, pero solo aprovecha un 10% de la energía. Por esta razón, la anchura de los escalones va descendiendo.

• Pirámides de números: Número de individuos en cada nivel trófico.
• Pirámides de biomasa: Indican el estado del ecosistema (renovación o extinción de los productores).
• Pirámides de energía: Energía acumulada en cada nivel trófico (unidades de biomasa o energía). Pueden ser invertidas si la pirámide de números lo está, lo que significa que hay menor número de productores y mayor número de consumidores.

Dinámica de las Poblaciones

La capacidad de carga de una población es el tamaño máximo de esa población que un ecosistema puede soportar en un período de tiempo determinado.

• Estrategas de la r: Crecen exponencialmente hasta agotar los recursos disponibles. Son especies generalistas y oportunistas.
• Estrategas de la k: Mantienen una población estable cerca de la capacidad de carga. Son especies especialistas.

Curvas de Supervivencia de la Población

• Tipo 1: Baja tasa de mortalidad hasta una edad avanzada; luego, la mortalidad aumenta (estrategas de la k).
• Tipo 2: La tasa de mortalidad varía poco con la edad.
• Tipo 3: Alta tasa de mortalidad hasta una edad juvenil (estrategas de la r).

Fluctuaciones: Cambios no periódicos de los factores ambientales o biológicos.

Cambios cíclicos: Pueden deberse a factores estacionales (verano, otoño), interacciones entre especies (depredador y presa) o factores geológicos (tectónica de placas).

Dinámica de las Comunidades

Los cambios en los ecosistemas, en el número y tipo de especies, originan una sucesión de comunidades. La sucesión ecológica es la secuencia de cambios graduales que un ecosistema experimenta a lo largo del tiempo. Hay dos tipos principales:

• Clímax: Estado final de la sucesión en el que se llega a un equilibrio con el medio ambiente.
• Regresión: Perturbación en el clímax que rompe o retrasa el estado anterior (por ejemplo, un incendio).

Características de la sucesión:

• Aumento de la diversidad de especies.
• Aumento de la especialización.
• Aumento de la biomasa.
• Sustitución progresiva de especies oportunistas.
• Aumento de la estabilidad del ecosistema.
• Disminución de la productividad.

Sucesión Primaria

Se inicia en un terreno virgen donde los procesos de meteorización proporcionan depósitos estables para la vida. Aparecen organismos con pocos requerimientos nutritivos que facilitan la formación de un protosuelo. Luego, surgen las primeras plantas herbáceas, se desarrolla matorral y arbustos, y se forma un bosque que permite el desarrollo de un microclima menos luminoso y más húmedo. Finalmente, se alcanza el clímax de la sucesión.

Sucesión Secundaria

Se inicia tras una regresión en el ecosistema. Durante la regresión, se pierde una parte importante de los componentes del ecosistema, y el proceso evolutivo origina una nueva comunidad, que se conoce como sucesión secundaria.

Fórmulas Clave

• Producción Bruta (PB): Cantidad de Materia orgánica / Tiempo
• Producción Neta (PN): PB – Respiración
• Productividad: (PN / Biomasa) x 100
• Eficiencia Ecológica: (PN / PB del nivel anterior) x 100
• Tasa de Natalidad: (Número de nacidos / Población total) x 100
• Tasa de Mortalidad: (Número de muertos / Población total) x 100