Como todos los sistemas, los ecosistemas tienen una característica fundamental que los define: 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. En estos mecanismos de regulación se basa uno de los modelos básicos en ecología: el modelo de la interacción depredador/ presa, también conocido por el nombre de modelo de Lotka- Volterra. Este modelo explica los mecanismos que hacen que las poblaciones mantengan un número medio de individuos más o menos constante. El modelo se basa en que el número de depredadores 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.
Introducción al Funcionamiento del Ecosistema
La individualidad de cada ecosistema. En cada uno de ellos existe un grupo de organismos que interactúan, transforman y transmiten energía y compuestos químicos.
La caracterización lineal del flujo químico y de energía a través de los organismos se denomina cadena trófica o alimentaria. Cada organismo de una cadena trófica se halla desplazado de la fuente energética inicial, el sol, por otro nivel alimentario. El nivel alimentario o trófico de un organismo es su posición respecto a la entrada inicial de energía a través de los productores primarios.
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.
La eficiencia de un nivel trófico sería entonces la medida de la proporción que se aprovecha del alimento que se toma de los niveles inferiores para hacer aumentar la biomasa de ese nivel, comparada con la parte que se pierde y se disipa en el proceso.
En los niveles superiores, por tanto, la energía disponible es más escasa. Estos organismos tienen que aprovechar al máximo lo que toman de los niveles inferiores y por ello son más eficientes. Además, con frecuencia, no se limitan a buscar su alimento en el nivel trófico inmediatamente inferior, sino que lo buscan también en otros niveles situados más abajo, como hacen los omnívoros, el ser humano entre ellos.
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/m2día 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).
PRODUCCIÓN
Biomasa
Es la cantidad total de materia viviente que hay en un nivel o ecosistema delimitado. Es usual referirnos a ella en términos de peso total de un nivel trófico concreto, expresado en gramos por metro cuadrado de superficie (o metro cúbico de volumen, como por ejemplo en un ecosistema marino). Muy a menudo se dan los datos refiriéndonos solamente al peso del elemento carbono (componente básico de toda la materia orgánica).
Producción
Es la cantidad de nueva biomasa que se produce en un determinado tiempo. Dentro de la producción se incluyen tanto la nueva materia orgánica que aparece por el crecimiento de los seres vivos que ya existían, como la que aparece por el nacimiento de otros nuevos.
La energía que necesita un nivel trófico cualquiera en un ecosistema ha de tomarla necesariamente del nivel trófico inferior. Cabe preguntarse: ¿Cuánta energía pueden tomar los seres vivos (de un nivel trófico determinado) de los que les preceden en la pirámide alimentaria, sin agotarlos, sin extinguirlos? La respuesta está ligada a uno de los dos conceptos que acabamos de explicar, el de producción: la cantidad de biomasa que un nivel trófico superior puede tomar de otro inferior no puede ser mayor que la producción del nivel inferior. Es decir, que para no explotar hasta la extinción los niveles inferiores, se ha de limitar la cantidad de biomasa que se retira de ellos con respecto al tamaño de su producción. La producción representa la cantidad total máxima de energía que puede pasar de un nivel a otro sin perjudicar el funcionamiento del nivel precedente.
Producción primaria
Los productores primarios son organismos que actúan de entrada de la energía en los ecosistemas, transformando la energía radiante en energía química. Aunque algunas bacterias pueden cursar esta transformación de energía, en términos globales de flujo energético, son relativamente insignificantes. Indiscutiblemente las plantas verdes constituyen los principales productores primarios, tanto en los ecosistemas acuáticos como terrestres, usando la energía solar para transformar el agua y el dióxido de carbono pueden transformarse posteriormente en moléculas más complicadas, como proteínas y lípidos. Todos los demás organismos de un ecosistema son mantenidos por esta entrada de energía.
Los dos grandes grupos de organismos que dependen de los productores primarios son los consumidores y los descomponedores. Los consumidores son organismos que obtienen sus necesidades energéticas y nutricias consumiendo otros organismos vivos. Los descomponedores son organismos que satisfacen estas necesidades utilizando organismos en descomposición.
La entrada de energía en los animales y algunos microorganismos se denomina, por lo común, producción secundaria.
Producción primaria terrestre
La temperatura y la pluviosidad son dos variables climáticas que pueden considerarse de gran importancia como determinantes, a un nivel muy general, de la producción primaria terrestre. Lieth (1973) ha examinado las relaciones entre los dos factores y la información que se posee sobre producción neta. Aunque resulta un trabajo muy instructivo como base de investigación, este tipo de cálculos esta lleno de suposiciones y datos posiblemente erróneos. Por ejemplo, la precipitación no es un factor ambiental que influya directamente en el crecimiento vegetal. La efectividad de la precipitación como promotora del crecimiento vegetal depende de su estado físico (lluvia, nieve), su intensidad, así como del relieve como regulador de la escorrentía y de las propiedades físicas del suelo que influyen en la disponibilidad del agua.
El microclima puede diferir considerablemente del clima regional y tales diferencias son significativas para la producción de las plantas.
Producción primaria acuática
Dos diferencias entre los hábitats terrestre y acuático van a influir en nuestro planteamiento sobre la producción primaria acuática. Primero, la transparencia del agua es mucho menor que la del aire y entonces las intensidades de luz son mucho menores en los sistemas acuáticos. Segundo, las fuentes de nutrientes disponibles y lugares donde pueden ser utilizados para el crecimiento vegetal tienden a estar más separados en el tiempo y en el espacio de los sistemas acuáticos.
Los nutrientes inorgánicos se derivan inicialmente de la meteorización de las partículas de roca. Estos nutrientes, además, se reciclan en los ecosistemas gracias a la descomposición de la materia orgánica.
En los ecosistemas terrestres la meterorización y descomposición se localizan principalmente en las capas superiores del suelo. Desde el punto de vista de la nutrición de las plantas esta organización espacial es idónea. Las raíces de las plantas se concentran en las capas superiores del suelo y pueden utilizar los nutrientes que existen allí. Los nutrientes no utilizados serán lavados y transportados hacia abajo, siendo utilizados por otras raíces. En consecuencia, se produce una situación espacial favorable para mantener en general la producción primaria.
En los medios acuáticos y particularmente en los océanos, abarcando casi el 90% de la superficie acuática, las zonas de utilización de nutrientes y de descomposición están aisladas generalmente en el espacio. Los organismos muertos en el océano no se hunden en una zona donde podrían ser utilizados por las plantas de forma bastante rápida después de su descomposición; en su lugar caen a las profundidades del océano donde no hay suficiente luz para la fotosíntesis. El flujo de agua es un factor muy importante que influye en el movimiento de los nutrientes desde el lugar de descomposición hasta los lugares de utilización.
La producción primaria de los ecosistemas acuáticos esta influida por los mismos ciclos anuales y diarios de la luz solar que inciden también en la producción primaria terrestre. En los océanos polares, por ejemplo, la producción esta concentrada en 2 o 4 meses de los 12, y se debe únicamente a la posición del sol.
La intensidad de la luz en ecosistemas acuáticos también disminuye con la profundidad. Esta extinción de la intensidad de luz está influida por la cantidad de materia particulada en el agua y por la densidad de fitoplancton.
La fotosíntesis, en la mayoría de los hábitats acuáticos debe situarse cerca de la superficie. Pero esto hace que se encuentre lejos de las fuentes de nutrientes. Estos nutrientes inorgánicos necesarios para el crecimiento de las plantas a menudo se agotan en la superficie del agua, especialmente en los momentos de máxima producción primaria. Numerosos son los experimentos que han demostrado que el enriquecimiento del agua añadiendo nutrientes puede estimular la producción primaria.
Muchos ecosistemas acuáticos pueden presentar ciclos anuales característicos en la biomasa del fitoplancton y en la concentración de nutrientes disueltos en el agua. Durante el invierno, cuando la temperatura y la luz son factores limitantes importantes, los iones inorgánicos llegan a alcanzar concentraciones relativamente altas. Durante la primavera, a medida que van progresando la temperatura y la intensidad de luz, la biomasa de algas aumenta y los nutrientes empiezan a escasear. Y en verano, las concentraciones de nutrientes pueden alcanzar valores tan pequeños que sean indetectables.
Producción secundaria
El segundo eslabón corresponde a animales herbívoros. Por ser los primeros animales que se alimentan en la cadena, se denominan consumidores primarios.
El tercer eslabón corresponde a animales carnívoros. Como es el primer organismo que se alimenta de carne, se llama carnívoro de primer orden; y como es el segundo animal en la cadena, se le denomina consumidor de segundo orden.
De esta manera continúan clasificándose los distintos eslabones de la cadena.
Para finalizar la cadena y asegurar el flujo de la materia y energía, existe un eslabón muy importante: los descomponedores.
Lo mencionado anteriormente puede representarse, utilizando el ejemplo del grafico n* 1 (ver Anexo)
Trama alimentaria
La cadena alimentaria es una representación, pero en la naturaleza puede determinarse la existencia de redes de cadenas que se entrecruzan, formando, de este modo, tramas alimentarias. Tal es el caso del grafico n* 2 (ver Anexo).
A partir de este ejemplo, puede deducirse que la interacción es compleja, y se observa que un mismo individuo puede utilizarse como alimento de varios animales. Esta trama puede denominarse como cerrada debido a la acción de los descomponedores.
Es importante aclarar que los distintos animales tienen una gama de alimentos, pero si existen en cantidades suficientes, se alimentaran de aquel animal que es de predilección.
En toda cadena alimenticia va traspasando materia y energía de un nivel a otro disminuyendo esta ultima en cada nivel de la misma.
La energía traspasada disminuye también debido al porcentaje considerable que se transforma en calor.
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.