Tema 05. Ecología II - La dinámica de los ecosistemas

Los niveles tróficos

En un ecosistema muchas de las relaciones que se establecen entre los organismos de la biocenosis son relaciones alimentarias o tróficas. De este modo la biocenosis se estructura en una serie de niveles tróficos entre los que circula la materia y la energía.

Un nivel trófico agrupa todas las especies que tienen el mismo tipo de nutrición y de alimentación. Podemos encontrar los productores, los consumidores y los descomponedores.

Productores

Son organismos autótrofos que sintetizan materia orgánica a partir de sustancias inorgánicas mediante procesos de fotosintesis o de quimiosintesis.

Ejemplos de productores son las plantas, las algas y las bacterias autótrofas. 

Son la base de todos los ecosistemas puesto que la producción de toda la materia orgánica dependerá de ellos y el resto de niveles se nutre de este nivel productor.

Consumidores

Son organismos heterótrofos que obtienen la materia orgánica de aquella sintetizada por los productores, ya sea directamente (alimentándose de productores) o indirectamente (alimentándose de otros consumidores).

Según el tipo de alimentación los organismos consumidores pueden dividirse en tres categorías o subniveles.

• Consumidores primarios o herbívoros, que son aquellos que se alimentan directamente de los productores. Un ejemplo las vacas.

• Consumidores secundarios o carnívoros, son aquellos que se alimentan de los herbívoros. Por ejemplo las serpientes.

• Consumidores terciarios o supercarnívoros, son aquellos organismos carnívoros que normalmente se alimentan de herbívoros pero también de otros carnívoros. Por ejemplo las águilas culebreras se alimentarían de otros carnívoros, las serpientes principalmente.

También hay otros consumidores omnivoros que se alimentan tanto de productores como de consumidores. Un ejemplo serian serían los osos, los jabalíes...

Otros consumidores:

• Detritívoros: son los que se alimentan de los restos, excrementos o cadáveres de otros seres vivos a los que van a descomponer. Dentro de los detritívoros encontramos diferentes categorías, como por ejemplo los necrófagos o carroñeros, como las hienas y los buitres, que obtienen su materia y energía comiendo cadáveres poco descompuestos o los saprófitos o saprófagos, como las lombrices de tierra, que se alimentan de restos de materia orgánica vegetal y animal muy descompuesta.

• Descomponedores: son organismos heterótrofos que se nutren de los restos de materia orgánica producida por cualquier nivel, limpiando así de desechos y cadáveres el ecosistema. Son básicamente los hongos y las bacterias del suelo, que a pesar de su pequeño tamaño su función es fundamental para los ecosistemas, dado que degradan totalmente la materia orgánica , devolviendo al suelo la materia inorgánica necesaria para los productores primarios. 

Circulación de la materia y de la energía en el ecosistema.

La materia que componen los seres vivos circula de forma constante por el ecosistema se transfiere de unos a otros a través de las relaciones tróficas alimentarias que se establecen entre los organismos de la biocenosis pero no se va a consumir por lo tanto el ecosistema no necesita un aporte externo de materia.

Por lo tanto el ciclo de la materia es cerrado.

La energía en los ecosistemas se almacena en forma de moléculas orgánicas que se transfieren de unos niveles tróficos a los demás, se transforma y una parte importante se consume o se pierde en forma de calor (energía que no puede ser utilizada por los seres vivos) . Por ello el flujo de energía del ecosistema necesita un aporte continuo de energía. La principal fuente de energía es el sol, pero en los medios abisales son las fuentes hidrotermales.

El ciclo de la energía es, por lo tanto, abierto.

Cadenas y redes tróficas

Las cadenas tróficas y las redes tróficas son representaciones gráficas que muestran la dirección y el sentido en el que se transfiere la materia y la energía entre los organismos del ecosistema. No establecen quién se come a quien sino hacia dónde va la energía y la materia de ahí que la flecha tiene que indicar el sentido de esa transferencia. Cuando un león come una gacela la dirección de las flechas sería de la gacela al león y no al revés.

Las cadenas tróficas son gráficos de aspecto líneal en el que se representa solo una fuente de alimento para cada organismo. Son por tanto representaciones de relaciones tróficas entre determinadas especies del ecosistema, que serían como los eslabones de una cadena. Por lo tanto habría más de cuatro o cinco eslabones en cada una, siendo el último de todos el de los descomponedores que devolverán la materia inorgánica al medio al consumir los restos los demás organismos.

Aun siendo muy útiles para el estudio del ecosistema, las cadenas tróficas son muy simples y una simplificación extrema dado que los organismos utilizan diferentes fuentes de alimentación.

Existen distintos tipos de cadenas troficas

• Cadenas de herbívoros o depredadores: El primer eslabón siempre es una especie productora cuya materia orgánica se transfiere a los herbívoros que se alimentan de ellos y le siguen por lo tanto los carnívoros qué se alimentan de los herbívoros.

• Cadena de detritus: El eslabón inicial son los restos o cualquier servido de ellos se alimentan los detritívoros que sirven a su vez de alimento a otros organismos.

Redes tróficas.

Son representaciones gráficas de todas las relaciones tróficas entre todas las especies del ecosistema. Se pueden descomponer en múltiples cadenas tróficas y son por tanto bastante más reales que las cadenas tróficas.

 

Lo mismo que para las cadenas tróficas, la representación es la de la transferencia de materia y energía del ecosistema. No obstante dado que son mucho más complejas en ocasiones es mucho más difícil su estudio.

Parámetros tróficos y pirámides ecológicas

Los parámetros tróficos son aproximaciones matemáticas que permiten cuantificar la transferencia de materia y energía del ecosistema. Los más importantes son la biomasa, la producción y la productividad.

• Biomasa (B): Es la cantidad de materia almacenada en un organismo, nivel trófico o ecosistema. Se expresa en unidades de masa por unidad de superficie o volumen (Kg/m2 o Kg/m3).
• Producción (P): Es el incremento de biomasa que experimentan organismo, nivel trófico o ecosistema, por unidad de tiempo (Kg/m2·día). Adicionalmente se puede expresar en unidades de energía por ejemplo kilojulio por día, lo que indica la cantidad de energía almacenada en la biomasa de los organismos.

Se distinguen dos tipos de producción:

• Producción bruta (PB): Es el incremento de biomasa total por unidad de tiempo.
• Producción neta (PN): Es la producción bruta menos el gasto respiratorio (R) realizado por los organismos. Es más informativo y cuando hay un gasto respiratorio elevado disminuye la biomasa disponible para siguiente nivel trófico.

PN=PB-R

A la producción del nivel trófico de los productores, que es la fuente de nutrición para el resto de los niveles tróficos, se le denomina producción primaria (PP).

• Productividad (p). En la relación entre la producción de un organismo, nivel trófico o ecosistema y la biomasa mantenida por unidad de superficie.

p=P/B

Nos da una idea de la capacidad de producción de los niveles tróficos, por ejemplo si comparamos dos niveles con la misma producción pero diferente biomasa. Será más productivo el nivel que tenga menos biomasa.

Las pirámides ecológicas son representaciones gráficas de los niveles tróficos de un ecosistema. Cada nivel trofico se representa mediante un rectángulo que se superpone al rectángulo del nivel anterior dando una forma de pirámide. La longitud del rectángulo es proporcional al parámetro representado.

Existen diferentes tipos de pirámides

• Pirámides de números: Representa el número de organismos que hay en cada nivel trófico, por lo que no son muy informativas. En ocasiones además pueden estar invertidas puesto que el nivel inferior puede ser menor que el superior dado que hay organismos que en pequeño número puedes alimentar a muchos organismos. Por ejemplo un solo árbol puede suponer el alimento para muchos insectos, lo que daría una pirámide invertida, dado que el rectángulo de los productores sería menor que el de los consumidores primarios.

http://biologiahelena.webcindario.com

• Pirámides de biomasa: Representan la cantidad de materia de los organismos de un nivel trofico son por tanto más informativas que las de números pero igualmente pueden encontrarse invertidas especialmente especialmente en los ecosistemas acuáticos dónde la actividad fotosintetica del fitoplancton pueden entrar más aún muy grande de consumidores.

http://biologiahelena.webcindario.com

• Pirámides de energía: Representan la energía de cada nivel trofico que puede ser empleada por el siguiente nivel. Son las únicas pirámides que nunca pueden estar invertidas ya que según la regla del 10% la energía que se transfiere al siguiente nivel trofico es aproximadamente una décima parte de la disponible.

http://biologiahelena.webcindario.com

Ciclos biogeoquímicos

Los principales bioelementos químicos que se encuentran en la materia viva, y por tanto en los ecosistemas, son el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre, que constituyen un 99,9% de la materia viva. Todos estos elementos son tomados de la atmósfera, la hidrosfera y la geosfera por los seres vivos y van a circular por la biosfera a través de los diferentes niveles tróficos y finalmente volverán en un proceso cíclico a su lugar original.

Un ciclo biogeoquímico es por tanto el recorrido que sigue un elemento químico en la naturaleza.

Ciclo del nitrógeno.

El Nitrógeno constituye un 78% del volumen de la atmósfera y es un bioelemento esencial en los seres vivos. Sin embargo solamente unas pocas bacterias son capaces de tomarlo en forma gaseosa incorporarlos ciclo biogeoquimico por lo tanto hay una serie de etapas que empiezan con la fijación del nitrógeno atmosférico.

1. Fijación del nitrógeno atmosférico. Las bacterias fijadoras de nitrógeno transforman el nitrógeno atmosférico en amoniaco. Algunos ejemplos de estas bacterias son las que viven en el suelo o en simbiosis con las raíces de leguminosas
2. Nitrificación. Algunas bacterias nitrificantes transforman el amoniaco a nitritos que posteriormente serán los nutrientes utilizados por las plantas.
3. Asimilación del nitrógeno. Las raíces de las plantas absorben los nitratos disueltos y mediante la fotosíntesis la incorporan a la materia orgánica de la planta, en concreto a las proteínas
4. Alimentación. Los animales toman las proteínas vegetales que quedarán incorporadas en su organismo en forma de proteínas animales.
5. Amonificación. Las bacterias descomponedoras que viven en el suelo transforman el amoniaco de los excrementos de animales, desechos vegetales y de la descomposición  de los cadáveres.
6. Desnitrificación: Las bacterias nitrificantes transforma los nitratos de nuevo en nitrógeno atmosférico.

Ciclo del carbono

El carbón en la materia orgánica se encuentran las rocas calizas, como CO2 libre en la atmósfera y disuelto en el agua.

Etapas del ciclo del carbono.

1. Mediante la fotosíntesis y otros procesos autótrofos las plantas, algas y bacterias autótrofas incorporan el dióxido de carbono en la materia orgánica del organismo.
2. Con los procesos de alimentación los organismos heterótrofos incorporan el carbono fijado por los autótrofos al alimentarse de ellos.
3. Con la respiración y la fermentación los diferentes organismos (productores, consumidores y descomponedores en la cadena cadena trófica) devuelven el dióxido de carbono a la atmósfera.

Existe también un ciclo largo del carbono que incluirá el que queda retenido en los fósiles 

1. Formación de combustibles fósiles. En condiciones excepcionales los restos de seres vivos quedan enterrados por capas de sedimentos y sufren una transformación química por la acción de bacterias anaerobias. Este será el origen del carbón, procedente de restos vegetales y el del petróleo, formada partir de restos de plancton marino.
2. Devolución a la atmósfera mediante procesos de combustión de materia vegetal durante los incendios, combustión de combustibles fósiles y la emisión de CO2 en las erupciones volcánicas.

Además hay procesos por el que se elimina el CO2 de la hidrosfera, al quedar este retenido en los seres vivos o en la geosfera:

1. Formación de caparazones de carbonato cálcico en organismos marinos, que utilizan el CO2 disuelto en el agua. Al morir y quedar enterrados se van a acumular en suficiente cantidad de sedimentos como para dar lugar a la formación de rocas calizas.
2. Precipitación de carbonato cálcico, que se produce en los mares cálidos y de aguas poco profundas cargadas de CO2, dando lugar también a rocas calizas.

Influencia del ser humano en los ciclos

• Nitrógeno: Los seres humanos sobrecargamos los ecosistemas con nitrógeno a través de la fijación industrial del nitrógeno atmosférico al emplear el mismo en la fabricación de amoniaco y abonos inorgánicos. DE este modo los nitratos que se usan entran a formar parte del ciclo del nitrógeno. También por la contaminación de la atmósfera con óxidos de nitrógeno procedentes de la quema de combustibles fósiles, lo que genera lluvia ácida (rica en ácido nítrico), que en el suelo va a dar lugar a nitratos.

• Carbono: Las principales fuentes de la emisión de CO2 son la combustión de carbón y derivados del petróleo en las centrales térmicas para generar electricidad así como su uso de gasolina, petróleo, queroseno y gas natural en el transporte, hogares e industria. 

Igualmente se produce de forma natural un "secuestro" del carbono, que queda depositado y almacenado en los denominados sumideros de carbono de los bosques, selvas y océanos. Los humanos los vamos vaciando y devolviendo a la atmósfera poco a poco, por ejemplo provocando incendios.

La lucha contra el calentamiento global, que es la principal consecuencia del aumento del dióxido de carbono atmosférico, debe ser el objetivo medioambiental prioritario para nosotros, que debemos tratar de reducir las emisiones de dióxido de carbono y en incrementar los sumideros de carbono.

Sucesiones ecológicas.
A lo largo del tiempo, y de manera totalmente natural, los ecosistemas tienden a hacerse cada vez más complejos y van presentar una mayor variedad de especies. La presencia de especies altera el ecosistema permitiendo la llegada de nuevos elementos que conquistan la zona y que, en ocasiones, implican que van a desaparecer especies anteriores.

Una sucesión ecológica es un fenómeno por el que se produce una transición gradual de una comunidad organismos a otra en un ecosistema.

Consecuencias de las sucesiones.

A medida que en ecosistema madura se origina una serie de cambios globales.

1. Aumento de la biodiversidad. Se produce un aumento en la cantidad y número de especies del ecosistema.
2. Mayor desarrollo del suelo por la descomposición de los desechos orgánicos procedentes de la variedad de plantas y animales en el ecosistema.
3. Mayor complejidad de las redes tróficas al existir un mayor número de especies en el ecosistema. Esto va a permitir una estabilización del ecosistema evitando el crecimiento descontrolado de las distintas poblaciones.
4. Aumento de la biomasa y disminución de la productividad del ecosistema ya aumenta también el gasto respiratorio.

Un ecosistema clímax es el estado final de un ecosistema en el que se alcanza la biodiversidad máxima para unas determinadas condiciones ambientales. No obstante es una biocenosis final fija, pero no es estática, pudiendo sufrir variaciones posteriores con la llegada de nuevas especies o la extinción de otras.

No obstante en algunos ecosistemas pueden producirse cambios impredecibles como catástrofes naturales, introducción accidental o voluntaria por parte del hombre de especies invasoras, plagas , etcétera... Cuando estos cambios conducen a un retroceso del ecosistema, que pierde madurez , decimos que ha producido una regresion. Por ejemplo un bosque situado en una ladera puede estar en su estado de clímax, pero si hay una riada que se lleva el suelo y los árboles, dejará ese ecosistema en un estado inicial habiendo sufrido una regresión.

Tipos de sucesiones.

1. Primarias: cuando se producen en un ecosistema que no presenta biocenosis previa. 
2. Secundarias: cuando se establece sobre una comunidad ya existente que ha sido modificada por diversos cambios, como la tala indiscriminada o un incendio.

El ecosistema se autorregula

Como ya hemos visto, los ecosistemas están en continuo cambio, pudiendo alcanzar un estado de climax en el cual sus componentes están permanentemente adaptándose a los cambios ambientales para mantener el flujo de materia y energía entre los diferentes niveles.

Los ecosistemas tiene una serie de mecanismos de autorregulación u homeostasis entre sus poblaciones y entre estas y el medio, que hacen que el ecosistema permanezca en equilibrio ecológico.

La homeostasis es el conjunto de mecanismos de autorregulación que permiten mantener la estabilidad de un ecosistema frente a los cambios que se producen en el.

Los cambios del ecosistema pueden ser naturales, como las variaciones climáticas, inundaciones o sequías; o bien producidos por el ser humano, como la contaminación, deforestación, sobreexplotación, etcétera. Con independencia de su origen, todos estos cambios van a provocar variaciones en las poblaciones que habitan en el ecosistema.

Mecanismos de autorregulación.

Las interacciones entre las distintas poblaciones que conviven en el ecosistema, afectan al tamaño de las poblaciones que lo habitan. De este modo la desaparición de una de ellas puede causar cambios drásticos y alterar el equilibrio del ecosistema. Estas interacciones implican un equilibrio dinámico entre las poblaciones de la comunidad. Uno de los más importantes son las migraciones o la relación depredador-presa.

• Las migraciones pueden ser puntuales, cuando el número de individuos de una especie es muy abundante y algunos ejemplares se desplazan en busca de nuevos territorios o, bien periódicas cuando migran dentro de sus ciclos anuales todos (o casi todos) los individuos de la població (por ejemplo las cigüeñas, milanos... etc)

• La relación depredador-presa permite regular el tamaño poblacional de ambas especies. Si en un ecosistema el número de presas crece mucho, habrá un mayor número de depredadores que podrán consumirlos, por lo que el número de depredadores tenderá a aumentar. Cuando el número de depredadores sea muy alto, implicará que habrá muchas capturas de presas y por lo tanto estas tenderán a disminuir, lo que a la larga provocará que el número de depredadores disminuya. De este modo, cuando haya menos depredadores el número de presas volverá a aumentar de nuevo y el ciclo se repetirá.

Cuando ocurre un cambio ambiental,  se van a producir variaciones en las poblaciones que habitan en el ecosistema. Hay dos casos  paradigmáticos que creo que debemos conocer para entender estos hechos:

• El primer caso es el de los renos de la isla de Saint Matthew, en el que se observa el crecimiento desmesurado de una población  hasta llegar a su colapso en ausencia de depredadores.

• El segundo ejemplo es el de los lobos de Yellowstone. ¿Qué pasa cuando una especie desparecida de un ecosistema durante 70 años es devuelta al mismo?

En resumen, todos los seres vivos estamos interconectados hasta límites insospechados...