Conceptos Fundamentales del Ecosistema

Biotopo y Factores Abióticos

Se denomina biotopo a una zona de características ambientales uniformes ocupada por una comunidad de seres vivos. Es un conjunto de factores fisioquímicos que rodean a una comunidad y que se compone de un medio físico y unos factores del medio (factores abióticos).

El Medio Físico

Es el lugar donde los seres vivos desarrollan sus funciones vitales. Básicamente hay dos tipos de medios: líquido y gaseoso. Ambos tienen un límite inferior sólido sobre el que se sustentan los organismos.

Factores Abióticos

Son las características físico-químicas del medio ambiente. Cada medio tiene unas características propias y otras más generales. Estos factores determinan las características de los organismos que forman la biocenosis.

Vamos a estudiar cómo influyen algunos de estos factores en los ecosistemas:

• Luz
• Temperatura
• Humedad
• Composición química
• Salinidad
• Presión

Los factores abióticos influyen en los seres vivos de un ecosistema. No dependen directamente de los seres vivos, aunque la actividad de estos puede modificarlos.

Dinámica Energética y Material

Flujo de Energía

De toda la energía solar que llega a la Tierra, solo una parte (entre 1-2%) se incorpora a la biosfera y circula a través de ella. Esta porción de energía se denomina energía endosomática.

Los organismos fotosintéticos son los únicos seres vivos capaces de captar la energía solar y transformarla en energía química. Todos los organismos utilizan esta energía química para llevar a cabo sus funciones de crecimiento y reproducción. Al final, toda la energía se disipa en forma de calor.

El resto de la energía solar que recibe la superficie terrestre no es aprovechable directamente por los seres vivos y recibe el nombre de energía exosomática, que es la responsable de la circulación de los vientos, las corrientes marinas, etc.

La energía fluye desde los organismos autótrofos a los heterótrofos mediante el alimento, se consume una parte en su metabolismo y, el resto, finalmente, se disipa al medio físico. El flujo de energía es abierto y unidireccional.

Flujo de Materia

La materia es el vehículo de la transferencia de energía, que se transforma continuamente mediante reacciones químicas de óxido-reducción.

Cuando la materia se reduce, almacena energía química y cuando se oxida, la libera también en forma de energía química o calor.

A diferencia de la energía, el ciclo de la materia es cerrado (puede circular dentro del ecosistema). La materia inorgánica es transformada en materia orgánica mediante la fotosíntesis (o quimiosíntesis) por los productores, fluye a lo largo de la cadena trófica a través del alimento y los restos orgánicos de los seres vivos vuelven a transformarse gracias a los descomponedores en materia inorgánica, que puede volver a ser aprovechada por los productores. Así, la materia se recicla.

Bioacumulación

Es el proceso de acumulación de sustancias tóxicas (metales pesados como Hg, As, Pb, Cd, o compuestos orgánicos sintéticos como el trióxido de antimonio o el DDT) en organismos vivos, en concentraciones cada vez mayores y superiores a las registradas en el medio ambiente. Ocurre cuando las sustancias digeridas no pueden ser descompuestas o excretadas.

Parámetros Tróficos y Productividad

Biomasa

Cantidad en peso de materia orgánica viva o muerta de un ecosistema o nivel trófico. En la biomasa se almacena energía química. Representa la cantidad de energía (generalmente solar) fijada como materia orgánica.

Se representa en unidades como gC/cm³, KgC/m², etc. (Peso de carbono orgánico por unidad de superficie). La biomasa se expresa de dos formas: peso seco de materia orgánica por unidad de superficie o volumen.

• En los ecosistemas terrestres, la biomasa vegetal es más abundante que la animal.
• En los ecosistemas acuáticos (Hidrosfera), la biomasa vegetal es menor que la animal.

Se pueden considerar tres tipos de biomasa:

1. Biomasa primaria: La producida directamente por los productores.
2. Biomasa secundaria: La producida por consumidores y descomponedores.
3. Biomasa residual: La producida como resultado de la acción antrópica, tanto de origen primario (serrín, paja) como secundario (estiércol, residuos alimenticios).

Producción Ecológica

Es la cantidad de energía captada y almacenada por cada uno de los niveles tróficos de un ecosistema en un tiempo determinado. Se expresa en unidades de biomasa por unidad de tiempo: gC/m²/día, Kcal/m³/año, o aumento de biomasa/tiempo.

Producción Primaria

Es la energía fijada por los productores (foto y quimiosíntesis). Energía capturada por los productores por unidad de superficie o volumen en una unidad de tiempo. Depende de la energía solar recibida y de una serie de factores que pueden actuar como limitantes.

Producción Secundaria

Es la energía fijada por el resto de los niveles tróficos por unidad de superficie y volumen en una unidad de tiempo.

Diferenciación de la Producción

En ambos casos (primaria y secundaria) hay que diferenciar entre:

• Producción bruta (PB): Energía fijada en cada nivel trófico por unidad de tiempo.
• Producción neta (PN): Energía almacenada en cada nivel trófico por unidad de tiempo. Se obtiene restando a la Producción bruta la energía consumida en los procesos metabólicos (fundamentalmente la respiración R, pero también excreción, secreción).

Fórmula: PN = PB – R

Ecosistemas Productivos

Los ecosistemas naturales de mayor producción son los arrecifes de coral, los estuarios, las zonas costeras, los bosques ecuatoriales y las zonas húmedas de los continentes.

Los menos productivos son los desiertos y las zonas centrales de los océanos.

Tasa de Renovación (Productividad)

Es la relación entre la PN (energía almacenada por unidad de tiempo) y la biomasa (materia orgánica total). Determina la velocidad de renovación de la biomasa.

Fórmula: Productividad = (PN / B) * 100%

Es la inversa del tiempo de renovación. La tasa de renovación o productividad varía entre 0 y 1, e indica la producción de nueva biomasa en cada nivel trófico en relación con la existente.

La tasa de renovación es en muchos casos un parámetro mucho mejor que la producción neta para valorar el flujo de energía de un ecosistema.

• Por ejemplo, el plancton tiene una producción menor que los vegetales terrestres, sin embargo, tienen una mayor productividad porque su tasa de reproducción es muy alta y se renuevan muy rápidamente.
• Cuando se empieza a colonizar un territorio, la productividad es muy alta; a medida que el territorio se va colonizando y se alcanza la estabilidad, la biomasa alcanza un valor máximo y la productividad es mínima.

Ejemplos de tasas de renovación (P):

• Cultivo agrícola: próxima a 1.
• Pastizal: entre 0 y 1.
• Bosque maduro: cercana a 0.

Un ecosistema estable y muy organizado tiene una gran cantidad de biomasa y una gran biodiversidad, pero su productividad es baja y disminuye el flujo de energía: entra mucha energía, pero se gasta manteniendo una gran cantidad de biomasa. La selva tropical tiene una producción muy alta, pero una productividad cercana a 0.

Ecosistemas con alta productividad: pantanos, bosques ecuatoriales y tropicales, matorrales, praderas, tundra, desierto, estuarios, marismas, plataforma continental, océano abierto.

Tiempo de Renovación

Es el tiempo que tarda un nivel trófico o un ecosistema completo en renovar su biomasa.

Fórmula: Tr = B / PN

Mide el tiempo de permanencia de los elementos químicos dentro de las estructuras biológicas del ecosistema.

Los productores pueden presentar dos estrategias con relación a su tiempo de renovación:

1. Especies rápidas: Son pequeños, de estructura y morfología simple, y con una tasa de reproducción alta (ej. Fitoplancton).
2. Especies lentas: Son de gran tamaño y con una estructura y morfología compleja, y una tasa de reproducción muy baja (ej. Bosque de encinas).

En los ecosistemas suelen estar presentes ambos tipos para asegurarse un aporte energético suficiente.

Eficiencia Ecológica

Mide el rendimiento energético de un nivel trófico o de un ecosistema completo, es decir, la capacidad de incorporar materia orgánica a sus tejidos. Indica cuánta energía entra, se pierde o se acumula.

Se calcula mediante la relación: PN / PB

• Productores: Se puede medir mediante la relación: energía asimilada / energía solar incidente. Los valores son muy bajos, entre el 1% y el 3%. Así se calculan las pérdidas por respiración, excreción, etc. En el fitoplancton supone del 10% al 40%; en vegetales terrestres, el 50%.
• Consumidores: Se suele usar la relación: PN / alimento ingerido o engorde / alimento ingerido.

Representación de las Relaciones Tróficas

Pirámides Ecológicas

Son esquemas que se utilizan para representar cuantitativamente las relaciones tróficas entre los distintos niveles de un ecosistema. Proporcionan información sobre la cantidad de materia orgánica presente en cada nivel trófico y sobre la composición y funcionamiento del ecosistema.

Tipos de Pirámides

1. Pirámides de Biomasa: Indican la biomasa acumulada en cada nivel trófico, expresada en peso seco de materia orgánica por unidad de superficie o volumen, o su equivalente en energía por unidad de superficie o volumen. Estas pirámides se refieren a periodos de tiempo cortos, por lo que no informan sobre la cantidad de materia producida a lo largo del tiempo o de su velocidad de producción. Esto puede inducir a que en algunos momentos se observen pirámides invertidas, debido a que los datos se toman en un instante determinado.
2. Pirámides de Números: Expresan el número concreto de individuos de cada nivel trófico por unidad de superficie o volumen. La información que proporcionan no es útil si se quieren comparar dos ecosistemas, ya que considera iguales a organismos muy diferentes (saltamontes y vacas). En el caso de que incluyan parásitos, pueden dar una forma invertida.
3. Pirámides de Energía (o Producción): Expresan el contenido energético que cada nivel trófico pone a disposición del nivel superior, es decir, la producción neta de cada nivel. Nunca pueden estar invertidas. Se suelen expresar en Kcal o KJ por unidad de superficie y unidad de tiempo. Siempre tendrán forma decreciente hacia arriba por la Ley del 10%.

Factores Limitantes de la Producción Primaria

Ley del Mínimo de Liebig

El científico alemán Justus Von Liebig, estudiando las plantas y detectando los elementos nutritivos esenciales, formuló su “Ley del Mínimo”, que indica que 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.

Influencia de Factores Físicos y Químicos

Temperatura y Humedad

• Al disminuir la humedad se produce una sensible disminución de la fotosíntesis, ya que se cierran los estomas para reducir la pérdida de agua y se reduce la asimilación de CO₂.
• El rendimiento fotosintético aumenta con la temperatura hasta un punto máximo, que es la temperatura óptima de la actividad enzimática.

La Falta de Nutrientes

La presencia de los nutrientes necesarios para la biosíntesis de ciertas moléculas orgánicas es un condicionante importante para la eficiencia de la fotosíntesis. La presencia de nutrientes viene determinada por mecanismos de reciclado.

El dióxido de carbono no constituye un factor limitante, pese a que a menor cantidad de CO₂ y menor relación O₂/CO₂ aumenta la eficacia fotosintética. No es un factor limitante debido a que la cantidad y la disposición del mismo para las plantas se encuentran en cantidades más que suficientes para realizar dicho proceso.

• Fósforo (P): Principal factor limitante de la producción primaria. Su movimiento es muy lento en el ciclo biogeoquímico. Forma parte de los ácidos nucleicos y del ATP.
• Nitrógeno (N): Todas las plantas dependen de los nitratos (NO₃⁻) del suelo, salvo aquellas que se encuentran en simbiosis con bacterias fijadoras de nitrógeno. Si la concentración de nitratos es baja, supone un déficit en su absorción y un descenso en la producción primaria.

Cantidad de Energías Externas

La cantidad de energías externas necesaria aumenta al hacerlo la distancia entre productores y descomponedores. Por ejemplo, en los océanos la enorme distancia entre la superficie y el fondo dificulta el retorno de nutrientes, limitando la producción primaria:

• En las zonas de afloramiento, la energía externa o auxiliar es aportada por el viento, que arrastra el agua de la superficie del mar y crea un vacío superficial que favorece el ascenso de nutrientes.
• Las plataformas continentales son zonas de productividad elevada porque el oleaje agita los fondos y, además, disponen de nutrientes que llegan de los ríos.

En los ecosistemas terrestres se requiere menos gasto de energías externas para el reciclaje de nutrientes, ya que las distancias entre los lugares de producción y de descomposición son mucho menores (por ejemplo, menos de 20 metros entre la copa y el suelo de los árboles).