UNIVERSIDAD DEL VALLE DE MEXICO CAMPUS HERMOSILLO PREPARATORIA UVM Elaboración de material de consulta Davisela Guadalupe Sierras Canchola TALLER DE AMBIENTES DE APRENDIZAJE VIRTUAL Alejandra Munguía Hermosillo, sonora Septiembre 11, 2011
Flujo de masa y energía 2
Contenido Flujo de masa y energía Introducción.4.5 1.1.1. Ciclos gaseosos..6 1.1.1.1 Ciclo del Nitrógeno..6 1.1.1.2. Ciclo del carbono.8 1.1.1.3. Ciclo del agua 9 1.1.2 Ciclos sedimentarios..11 1.1.2.1. Ciclo del azufre.11 1.1.2.2. Ciclo del fósforo..12 1.2. Cadena alimenticia 13 1.2.1. Productores primarios..14 1.2.2. Consumidores primarios..15 1.2.3. Consumidores secundarios.15 1.2.4. Consumidores terciarios..16 1.2.5. Carroñeros 16 1.2.6. Descomponedores..17 3
Flujo de masa y energía Introducción El flujo de energía ingresa a los sistemas a través de los productores y los abandona a distintos niveles tróficos en forma de calor. En los sistemas comunitarios la materia sigue las mismas vías por las cuales fluye la energía; sin embargo, a diferencia de esta, la materia o los compuestos inorgánicos que componen la materia viva, fluyen en forma cíclica en el ecosistema. Entre las sustancias inorgánicas que forman parte de los organismos vivos, las más significativas son: agua. Carbono, nitrógeno, fósforo, potasio, sulfuro, calcio, magnesio, sodio, cloro y algunos minerales, como fierro, cobalto, molibdeno y zinc. Todos los organismos requieren un aporte constante de energía para remplazar la que se gasta en el metabolismo, el crecimiento y la reproducción. Así se les puede considerar como procesadores de energía y materiales, que obtienen de dos fuentes principales. En general, el flujo de estas sustancias en el ecosistema se mueve en los distintos niveles tróficos, pero además fluyen a través de los sistemas geofísicos: la atmósfera, la corteza terrestre y las fuentes de agua. Así, debido a que este movimiento atraviesa tanto el componente biótico como el abiótico del ecosistema, los ciclos que describen estas sustancias son conocidos como ciclos biogeoquímicos. 4
Ciclos biogeoquímicos La materia se compone de diferentes elementos químicos, algunos de ellos indispensables para los seres vivos porque constituyen parte del protoplasma. En la biosfera estos elementos circulan a lo largo de trayectorias mayores y menores conocidas con el nombre de ciclos biogeoquímicos. Los ciclos biogeoquímicos hacen posible que los elementos estén disponibles para utilizarse una y otra vez, transformándolos y haciéndolos recircular a través de la biosfera. Estos ciclos describen el camino o caminos que estas sustancias siguen desde los depósitos o reservas naturales (hidrósfera o atmósfera) hasta los organismos y éstos nuevamente al depósito o reserva. Los ciclos se clasifican bajo diferentes puntos de vista: por su función, por el estado físico de los materiales, por su localización etc. Desde el punto de vista ecológico, los ciclos biogeoquímicos se clasifican como se muestra. 5
1.1.1. Ciclos gaseosos 1.1.1.1. Ciclo del nitrógeno 1.1.1.2. Ciclo del carbono 1.1.1.3. Ciclo del agua Ciclos gaseosos Ciclo del Nitrógeno El nitrógeno constituye el 78% del volumen de la troposfera, que es la capa mas densa de la atmósfera del planeta; a pesar de esta gran abundancia, los seres vivos no utilizan el nitrógeno en forma gaseosa, porque antes de aprovecharlo es necesario transformarlo en nitratos solubles. Esta transformación la realizan bacterias fijadoras de nitrógeno en las raíces de cierto tipo de vegetales: las leguminosas. De esta manera, los nitritos pasan al suelo y están disponibles para que los absorban las plantas a través de su raíz. Las plantas convierten los nitratos en aminoácidos, que son la estructura primaria de las proteínas. Las proteínas vegetales pueden seguir uno de dos caminos: transformarse en proteínas animales o, al morir el vegeta, transformarse en compuestos de amonio y otros productos de desecho no nitrogenados. Siguiendo el primer camino, el de las proteínas animales, éstas se transforman en urea, amoniaco o ácido úrico, sobre los cuales actúan las nitritobacterias o las bacterias putrificantes para producir nitratos o nitrógeno molecular con los que, finalmente, se reinicia el ciclo. Al morir el animal, actúan las bacterias putrificantes que producen amonio. En el otro caso, de los vegetales muertos, los compuestos se amonio son atacados por otras bacterias que producen nitrógeno atmosférico (N2), si son del tipo desnitrificante, o nitratos si actúan las nitritobacterias. Dentro del ciclo del nitrógeno es muy importante la participación de las bacterias, como se aprecia en el siguiente cuadro: 6
1.1.1. Ciclos gaseosos 1.1.1.1. Ciclo del nitrógeno 1.1.1.2. Ciclo del carbono 1.1.1.3. Ciclo del agua 7
1.1.1. Ciclos gaseosos 1.1.1.1. Ciclo del nitrógeno 1.1.1.2. Ciclo del carbono 1.1.1.3. Ciclo del agua Ciclo del carbono El metabolismo de los seres vivos requiere de muchos compuestos para su desarrollo y contienen un importante elemento: el carbono. En la atmósfera se encuentran el bióxido de carbono (CO2) y la proporción que representa es sostenida por plantas y animales porque es un producto final de la respiración. Otro aspecto importante, es que este gas es empleado por los vegetales en la producción de carbohidratos. Estos últimos siguen diferentes trayectorias. a) Un animal los consume al alimentarse de plantas con el propósito de obtener energía. Así libera el CO2 que pasa de nueva cuenta a la atmósfera. b) Al morir las plantas y los animales se descomponen las sustancias orgánicas de que están formados, como los carbohidratos, las grasas y las proteínas. c) Si las plantas quedan sepultadas y sometidas a grandes presiones forman carbón, el cual dependiendo de la cantidad de compuestos volátiles se denomina turba, lignito o antracita que al ser empleados como combustibles o por influencias climáticas, regresa a la atmósfera como CO2. 8
1.1.1. Ciclos gaseosos 1.1.1.1. Ciclo del nitrógeno 1.1.1.2. Ciclo del carbono 1.1.1.3. Ciclo del agua Ciclo del agua Éste es el ciclo más común para todos, puesto que resulta evidente su circulación permanente ante nuestros ojos. Se define como el proceso de cambio en la ubicación y el estado físico del agua en el medio, incluyendo a los seres vivos. Son consideraciones básicas de este ciclo: a) La radiación solar promueve la evaporación 9
1.1.1. Ciclos gaseosos 1.1.1.1. Ciclo del nitrógeno 1.1.1.2. Ciclo del carbono 1.1.1.3. Ciclo del agua b) El enfriamiento de las masas de aire húmedo promueven la condensación del vapor del agua, acción contraria a la evaporación, es decir, el vapor se transforma en gotas (estado liquido). c) Para que el agua retorne a la atmósfera, puede seguir infinidad de rutas, en las cuales participan, obviamente, los organismos: 10
1.1.2. Ciclos sedimentarios 1.1.2.1. Ciclo del Azufre 1.1.2.2. Ciclo del Fósforo Ciclos Sedimentarios Ciclo del azufre El ciclo del azufre es de particular interés, porque a pesar de ser un elemento menor en sus estados de oxidación le permiten combinarse con muy variados cationes bajo condiciones fisicoquímicas contrastantes. Además, este elemento cumple un importante papel en el metabolismo de las plantas y los animales: forma parte de los aminoácidos, cistina y cisteína. En la corteza terrestre, el azufre se puede encontrar en diferentes combinaciones: a) Sulfuros (combinados con metales calcófilos y siderófilos) presentes en las rocas ígneas. b) Sulfatos (combinado con múltiples cationes) comunes en los depósitos sedimentarios en fondos lacustres y marinos por descomposición incompleta de materia orgánica. c) Estado nativo, se presenta en forma de moléculas unidas; esta relacionado con emanaciones de carácter volcánico y es producido por la oxidación incompleta del ion sulfuros. También participa en la reducción bacteriana de los sulfatos. Este ciclo y el del nitrógeno son afectados cada vez más debido a la contaminación de la atmosfera. Esto ocurre porque los óxidos de nitrógeno y azufre circulan rápidamente y en concentraciones pequeñas, pero la combustión de petróleo (o sus derivados) y del carbón han incrementado su concentración. Este elemento se caracteriza porque implica las fases liquida, gaseosa y sólida de la superficie terrestre. 11
1.1.2. Ciclos sedimentarios 1.1.2.1. Ciclo del Azufre 1.1.2.2. Ciclo del Fósforo Fueron mencionadas unas bacterias, estas producen acciones como la de tranformar H2S S SO4 y existen otras que reducen los sulfatos (SO4 H2S) denominadas desulfuvibriones y otras más pequeñas que oxidan los sulfuros (tiobacilos). En el proceso de la producción primaria se incorpora el azufre en forma de sulfatos y, en contraste, la excreción de los animales aporta sulfatos al ciclo. 12
1.1.2. Ciclos sedimentarios 1.1.2.1. Ciclo del Azufre 1.1.2.2. Ciclo del Fósforo Ciclo del fósforo El ciclo de este elemento tiene como deposito las rocas de la corteza terrestre, de la cual es liberado para incorporarse en los ecosistemas, aunque una buena parte se aloja en los sedimentos de aguas profundas y poco profundas. El fósforo biológico forma parte del esqueleto de los animales vertebrados (como hidroxifosfatos) y solo una pequeña cantidad participa en el citoplasma celular; las plantas superiores contienen tres decimas del 1% de su materia seca en fósforo, proporción similar al contenido de las rocas ígneas. Los animales herbívoros tienen un porcentaje mucho más alto de fósforo en su esqueleto (20%) y también lo eliminan a gran velocidad mediante las heces fecales; así; éste retorna al suelo para después sedimentarse en lagos y en los mares; en éstos últimos se forman nódulos con una alta proporción de P2O5 (30%). Un epiciclo de este elemento esta vinculado con las aves marinas que depositan gradualmente guano en los litorales, en los cuales se alimentan básicamente peces. Desafortunadamente, la participación del hombre ha provocado alteraciones al acelerar las pérdidas de fósforo por la excesiva extracción de roca fosfatada de origen geológico antiguo; también las corrientes marinas ascendentes han hecho aflorar sedimentos ricos en fósforo orgánico. 13
1.1.2. Ciclos sedimentarios 1.1.2.1. Ciclo del Azufre 1.1.2.2. Ciclo del Fósforo La conclusión fundamental des estudio de los ciclos biogeoquímicos, es que éstos forman el gran ciclo geoquímico realizado entre los océanos y las masas continentales. Este gran proceso cíclico permite mantener la salinidad marina y un intercambio de elementos entre el mar y tierra con la participación innegable de la atmósfera: por ejemplo los vientos de procedencia marina transportan una parte significativa del sodio que las corrientes fluviales proporcionan a las aguas oceánicas. Así, la integración de las interfases agua, tierra y aire de la superficie terrestre funcionan como uno solo y gran ecosistema, denominado biosfera. 14
1.2. Cadena alimenticia La cadena alimenticia es la serie de transformaciones que sufren la energía y la materia al pasar a través de los organismos que integran una comunidad; en ella se indica quién se come a quién. Para analizarla, comencemos con los vegetales, los cuales son capaces de producir alimentos a partir de compuestos inorgánicos simples mediante la acción del sol; de aquí la materia y energía pasan a los animales; cuando éstos mueren la materia orgánica es descompuesta en elementos sencillos mediante la acción de los desintegradores, lo mismo sucede con los vegetales, cerrado el ciclo. Así cada eslabón de una cadena alimenticia representa un nivel diferente de alimentación, el cual se denomina nivel trófico. Consecuentemente, cuando los organismos comparten la misma fuente de energía, se dice que se localizan en el mismo nivel trófico. Por ejemplo, los vegetales que son la base de la comunidad, ocupan el primer nivel trófico, mientras que una oveja ocuparía el segundo nivel trófico, considerando que se trata de un herbívoro; un jaguar, por el contrario, ocuparía un tercer nivel trófico, puesto que se alimenta de carne; los organismos que se alimentan de carnívoros, como es el caso de los buites ocuparían un cuarto nivel, hasta llegar a los desintegradores que cerrarán el ciclo. Como se puede observar, el nivel trófico indica el número o pasos que ha de seguir la energía (alimento), antes de su llegada a un organismo. 15
1.2. Cadena alimenticia 1.2.1. Productores primarios Productores primarios Autótrofos, que utilizando la energía solar (fotosíntesis) o reacciones químicas minerales (quimio síntesis) obtienen la energía necesaria para fabricar materia orgánica a partir de nutrientes inorgánicos. Ejemplo: Plantas. 16
1.2. Cadena alimenticia 1.2.2. Consumidores primarios 1.2.3. Consumidores secundarios Consumidores primarios Son los herbívoros, es decir, los que se alimentan directamente de productores primarios, autótrofos, tales como plantas y algas. Ejemplos: vacas, insectos, caballos, cebras, antílopes, gacelas. Consumidores Secundarios Son carnívoros, que se alimentan directamente de consumidores primarios (herbívoros). Ejemplo: León, puma. 17
1.2. Cadena alimenticia 1.2.3. Consumidores terciarios 1.2.4. Carroñeros Consumidores terciarios Se alimentan de consumidores secundarios. Son animales superdepredadores, que son aquella especie animal carnívora que prevalece sobre las otras especies en un bioma, o ecosistema como las orcas, los tiburones. Tanto los consumidores secundarios como los consumidores terciarios son animales carnívoros. Carroñeros Los animales carroñeros se alimentan de otros animales y también de los restos de animales muertos. Los buitres son carroñeros; tienen una vista casi perfecta: pueden ver restos de animales muertos a mucha distancia. Ejemplos. Buitres. 18
1.2. Cadena alimenticia 1.2.5. Descomponedores Descomponedores Referencias bibliográficas González A., Fernández R., Medina L., (2001). Ecología. (3ra. Edición). México: Editorial McGrawhill. Gutiérrez B., Rodríguez S., Fernández F., (2010) Ecología y medio ambiente. (3ra edición) México: Editorial Santillana. 19