UNIDAD II. El ecosistema Tema. Generalidades del sistema
Generalidades del ecosistema Un principio central de la ecología es que cada organismo vivo tiene una relación permanente y continua con todos los demás elementos que componen su entorno. La suma total de la interacción de los organismos vivos (la biocenosis) y su medio no viviente (biotopo) en una zona que se denomina un ecosistema. Los estudios de los ecosistemas por lo general se centran en la circulación de la energía y la materia a través del sistema. Casi todos los ecosistemas funcionan con energía del sol capturada por los productores primarios a través de la fotosíntesis. Esta energía fluye a través de la cadena alimentaria a los consumidores primarios (herbívoros que comen y digieren las plantas), y los consumidores secundarios y terciaria (ya sea omnívoros o carnívoros). La energía se pierde a los organismos vivos cuando se utiliza por los organismos para hacer el trabajo, o se pierde como calor residual. La materia es incorporada a los organismos vivos por los productores primarios. Las plantas foto sintetizadoras fijan el carbono a partir del dióxido de carbono y del nitrógeno de la atmósfera o nitratos presentes en el suelo para producir aminoácidos. Gran parte de los contenidos de carbono y nitrógeno en los ecosistemas es creado por las instalaciones de ese tipo, y luego se consume por los consumidores secundarios y terciarios y se incorporan en sí mismos. Los nutrientes son generalmente devueltos a los ecosistemas a través de la descomposición. Todo el movimiento de los productos químicos en un ecosistema que se denomina un ciclo biogeoquímico, e incluye el ciclo del carbono y del nitrógeno. Los ecosistemas de cualquier tamaño se pueden estudiar, por ejemplo, una roca y la vida de las plantas que crecen en ella puede ser considerada un ecosistema. Esta roca puede estar dentro de un llano, con muchas de estas rocas, hierbas
pequeñas, y animales que pastorean también un ecosistema. Este puede ser simple en la tundra, que también es un ecosistema (aunque una vez que son de este tamaño, por lo general se denomina ecozonas o biomas). De hecho, toda la superficie terrestre de la Tierra, toda la materia que lo compone, el aire que está directamente encima de éste, y todos los organismos vivos que viven dentro de ella pueden ser considerados como uno solo, un gran ecosistema. Los ecosistemas se pueden dividir en los ecosistemas terrestres (incluidos los ecosistemas de bosques, estepas, sabanas, etc.) los ecosistemas de aguadulce (lagos, estanques y ríos), y los ecosistemas marinos, en función del biotopo dominante. El Daintree Rainforest de Queensland, Australia es un ejemplo de una ecosistemas forestales. Así como las poblaciones exhiben características que no están presentes en los organismos individuales, los ecosistemas tienen atributos que no muestran las poblaciones individuales que los componen. Todos los ecosistemas son sistemas abiertos; dependen de la entrada de energía y ellos mismos producen salidas de calor (energía). Los ecosistemas dependen también de los ciclos biogeoquímicos, del agua y otros, para obtener sus nutrientes, agua, etc., produciendo salida de nutrientes y de agua. Además, en la mayoría de los ecosistemas están entrando y saliendo: vegetales, animales y microorganismos. A pesar de ser sistemas abiertos y dinámicos, los ecosistemas poseen ciertas estructuras y funciones características, como son las estratificaciones, las comunidades bióticas, los biomas y las sucesiones ecológicas. Definamos brevemente estos términos: Comunidades bióticas: Todas las poblaciones que interactúan en un área determinada, constituyen una comunidad biótica. Estratificación: Es una distribución en capas, o bien, una serie de separaciones, que distribuye diferencialmente a los organismos que aparecen dentro de un ecosistema. Las estratificaciones pueden describirse en términos de separación espacial entre los organismos (estratificaciones vertical y horizontal), o bien, en términos de
separaciones en el tiempo (periodicidad). Sucesión ecológica: El proceso dinámico mediante el cual los ecosistemas modifican su orden para desarrollar una mayor estabilidad, en el curso del tiempo. COMPONENTES DEL ECOSISTEMA Los Ecosistemas Naturales poseen 2 componentes, los componentes estructurales y los Funcionales. Los Componentes Estructurales se reúnen con el término de Biotopo (conjunto de todos los Elementos Abióticos como el aire, agua, suelo, luz, temperatura, humedad), mientras que los componentes Funcionales se reúnen con el nombre de Biocenosis (conjunto de todos los seres Bióticos organizados en Poblaciones vegetales, animales, Comunidades vegetales, animales interrelacionados entre sí y con los elementos Físico o factores abióticos). Entonces, los Elementos que forman un Ecosistema son todos los Factores Abióticos, mientras que las Estructuras son todos los seres vivos o Bióticos característicos de un determinado tipo de ecosistema. COMPONENTES ESTRUCTURALES DEL ECOSISTEMA Factores A bióticos Todos los factores químico físicos del ambiente son llamados factores abióticos (de a, "sin", y bio, "vida). Los factores abióticos más conspicuos son la precipitación y temperatura; todos sabemos que estos factores varían grandemente de un lugar a otro, pero las variaciones pueden ser aún mucho más importantes de lo que normalmente reconocemos. No es solamente un asunto de la precipitación total o la temperatura promedio. Por ejemplo, en algunas regiones la precipitación total promedio es de más o menos 100 cm por año que se distribuyen uniformemente por el año. Esto crea un efecto ambiental muy diferente al que se encuentra en otra región donde cae la misma cantidad de precipitación pero solamente durante 6 meses por año, la estación de lluvias, dejando a la otra mitad del año como la estación seca.
Igualmente, un lugar donde la temperatura promedio es de 20º C y nunca alcanza el punto de congelamiento es muy diferente de otro lugar con la misma temperatura promedio pero que tiene veranos ardientes e inviernos muy fríos. De hecho, la temperatura fría extrema no temperatura de congelamiento, congelamiento ligero o varias semanas de fuerte congelamiento es más significativa biológicamente que la temperatura promedio. Aún más, cantidades y distribuciones diferentes de precipitación pueden combinarse con diferentes patrones de temperatura, lo que determina numerosas combinaciones para apenas estos dos factores. Pero también otros factores abióticos pueden estar involucrados, incluyendo tipo y profundidad de suelo, disponibilidad de nutrientes esenciales, viento, fuego, salinidad, luz, longitud del día, terreno y ph (la medida de acidez o alcalinidad de suelos y aguas). Resumiendo, podemos ver que los factores abióticos, que se encuentran siempre presentes en diferentes intensidades, interactúan unos con otros para crear una matriz de un número infinito de condiciones ambientales diferentes. LUZ (ENERGÍA RADIANTE) Del total de la energía solar que llega en la Tierra (1.94 calorías por centímetro cuadrado por minuto), casi 0.582 calorías son reflejadas hacia el espacio por el polvo y las nubes de la atmósfera terrestre, 0.388 calorías son absorbidas por las capas atmosféricas, y 0.97 calorías llegan a la superficie terrestre. La luz es un factor abiótico esencial del ecosistema, dado que constituye el suministro principal de energía para todos los organismos. La energía luminosa es convertida por las plantas en energía química
gracias al proceso llamado fotosíntesis. Ésta energía química es encerrada en las substancias orgánicas producidas por las plantas. Es inútil decir que sin la luz, la vida no existiría sobre la Tierra. Además de esta valiosa función, la luz regula los ritmos biológicos de la mayor parte de la especies. La luz visible no es la única forma de energía que nos llega desde el sol. El sol nos envía varios tipos de energía, desde ondas de radio hasta rayos gamma. La luz ultravioleta (UV) y la radiación infrarroja (calor) se encuentran entre estas formas de radiación solar. Ambas, la luz UV y la radiación Infrarroja son factores ecológicos muy valiosos. Muchos insectos usan la luz ultravioleta (UV) para diferenciar una flor de otra. Los humanos no podemos percibir la radiación UV. Actúa también limitando algunas reacciones bioquímicas que podrían ser perniciosas para los seres vivos, aniquilan patógenos, y pueden producir mutaciones favorables en todas las formas de vida. ENERGÍA TÉRMICA El calor es útil para los organismos ectotérmicos, es decir, los organismos que no están adaptados para regular su temperatura corporal (por ejemplo, peces, anfibios y reptiles). Las plantas usan una pequeña cantidad de energía térmica para realizar la fotosíntesis y se adaptan para sobrevivir entre límites de temperatura mínimos y máximos. Esto es válido para todos los organismos, desde los Archaea hasta los Mamíferos. Aunque existen algunos microorganismos que toleran excepcionalmente temperaturas extremas, aún ellos perecerían si fueran retirados de esos rigurosos ambientes. Cuando la radiación infrarroja proveniente del Sol penetra en la atmósfera, el vapor de agua atmosférico absorbe y demora la salida de las ondas del calor al espacio exterior; así, la energía permanece en la atmósfera y la calienta (efecto invernadero). Los océanos juegan un papel importante en la estabilidad del clima terrestre. Sin los océanos nuestro planeta estaría excesivamente caliente durante el día y congelado por la
noche. La diferencia de temperaturas entre diferentes masas de agua oceánica, en combinación con los vientos y la rotación de la Tierra, crea las corrientes marítimas. El desplazamiento de la energía en forma de calor, o energía en transferencia, que es liberada desde los océanos, o que es absorbida por las aguas oceánicas permite que ciertas zonas atmosféricas frías se calienten, y que las regiones atmosféricas calientes se refresquen. ATMÓSFERA La presencia de vida sobre nuestro planeta no sería posible sin nuestra atmósfera actual. Muchos planetas en nuestro sistema solar tienen una atmósfera, pero la estructura de la atmósfera terrestre es la ideal para el origen y la perpetuación de la vida como la conocemos. Su constitución hace que la atmósfera terrestre sea muy especial. La atmósfera terrestre está formada por cuatro capas concéntricas sobrepuestas que se extienden hasta 80 kilómetros. La divergencia en sus temperaturas permite diferenciar estas capas. La capa que se extiende sobre la superficie terrestre hasta cerca de 10 km. es llamada tropósfera. En esta capa la temperatura disminuye en proporción inversa a la altura, eso quiere decir que a mayor altura la temperatura será menor. La temperatura mínima al final de la tropósfera es de 50C. La Tropósfera contiene las tres cuartas partes de todas las moléculas de la atmósfera. Esta capa está en movimiento continuo, y casi todos los fenómenos meteorológicos ocurren en ella. Cada límite entre dos capas atmosféricas se llama pausa, y el prefijo perteneciente a la capa más baja se coloca antes de la palabra "pausa". Por este método, el límite entre la tropósfera y la capa más alta inmediata (estratósfera) se llama tropopausa.
La siguiente capa es la Estratósfera, la cual se extiende desde los 10km. y termina hasta los 50 km de altitud. Aquí, la temperatura aumenta proporcionalmente a la altura; a mayor altura, mayor temperatura. Enel límite superior de la estratósfera, la temperatura alcanza casi 25 C. La causa de este aumento en la temperatura es la capa de ozono (Ozonósfera). El ozono absorbe la radiación Ultravioleta que rompe moléculas de Oxígeno (O2) engendrando átomos libres de Oxígeno (O), los cuales se conectan otra vez para construir Ozono (O3). En este tipo de reacciones químicas, la transformación de energía luminosa en energía química engendra calor que provoca un mayor movimiento molecular. Ésta es la razón del aumento en la temperatura de la estratósfera. La ozonósfera tiene una influencia sin par para la vida, dado que detiene las emisiones solares que son mortales para todos los organismos. Si nosotros nos imaginamos la capa de ozono como una pelota de fútbol, veríamos el Agotamiento de la Capa de Ozono semejante a una depresión profunda sobre la piel de la pelota, como si estuviese un poco desinflada. Por encima de la Estratósfera está la Mesósfera. La mesósfera se extiende desde el límite de la estratósfera (Estratopausa) hasta los 80 km. hacia el espacio. ELEMENTOS QUÍMICOS Y AGUA Los organismos están constituidos por materia. De los 92 elementos naturales conocidos, solamente 25 elementos forman parte de la materia viviente. De estos 25 elementos, el Carbono, el Oxígeno, el Hidrógeno y el Nitrógeno están presentes en el 96 % de las moléculas de la vida. Los elementos restantes llegan a formar parte del 4 % de la materia viva, siendo los más importantes el Fósforo, el Potasio, el Calcio y el Azufre. Las moléculas que contienen Carbono se denominan Compuestos Orgánicos, por ejemplo el bióxido de carbono, el cual está formado por un átomo de Carbono y dos átomos de Oxígeno (CO2). Las que carecen de
Carbono en su estructura, se denominan Compuestos Inorgánicos, por ejemplo, una molécula de agua, la cual está formada por un átomo de Oxígeno y dos de Hidrógeno (H2O). Agua El agua (H2O) es un factor indispensable para la vida. La vida se originó en el agua, y todos los seres vivos tienen necesidad del agua para subsistir. El agua forma parte de diversos procesos químicos orgánicos, por ejemplo, las moléculas de agua se usan durante la fotosíntesis, liberando a la atmósfera los átomos de oxígeno del agua. El agua actúa como un termorregulador del clima y de los sistemas vivientes: Gracias al agua, el clima de la Tierra se mantiene estable. El agua funciona también como termorregulador en los sistemas vivos, especialmente en animales endotermos (aves y mamíferos). Esto es posible gracias al calor específico del agua, que es de una caloría para el agua (calor específico es el calor medido en calorías necesario para elevar la temperatura de un gramo de una substancia en un grado Celsius). En términos biológicos, esto significa que frente a una elevación de la temperatura en el ambiente circundante, la temperatura de una masa de agua subirá con una mayor lentitud que otros materiales. Igualmente, si la temperatura circundante disminuye, la temperatura de esa masa de agua disminuirá con más lentitud que la de otros materiales. Así, esta cualidad del agua permite que los organismos acuáticos vivan relativamente con placidez en un ambiente con temperatura fija. La evaporación es el cambio de una substancia de un estado físico líquido a un estado físico gaseoso. Necesitamos 540 calorías para evaporar un gramo de agua. En este punto, el agua hierve (punto de ebullición). Esto significa que tenemos que elevar la temperatura hasta 100 C para hacer que el agua hierva. Cuándo el agua se evapora desde la superficie de la piel, o de la superficie de las hojas de una planta, las moléculas de agua arrastran consigo calor. Esto funciona como un sistema refrescante en los organismos.
Otra ventaja del agua es su punto de congelación. Cuando se desea que una substancia cambie de un estado físico líquido a un estado físico sólido, se debe extraer calor de esa substancia. La temperatura a la cual se produce el cambio en una substancia desde un estado físico líquido a un estado físico sólido se llama punto de fusión. Para cambiar el agua del estado físico líquido al sólido, tenemos que disminuir la temperatura circundante hasta 0 C. Para fundirla de nuevo, es decir para cambiar un gramo de hielo a agua líquida, se requiere un suministro de calor de 79.7 calorías. Cuándo el agua se congela, la misma cantidad de calor es liberada al ambiente circundante. Esto permite que en invierno la temperatura del entorno no disminuya al grado de aniquilar toda la vida del planeta.