TEMA 4

CIRCULACIÓN DE MATERIA Y ENERGÍA EN LA BIOSFERA

¿Dónde se produce la mayor y la menor producción de materia orgánica en nuestro planeta?

4.1. INTRODUCCIÓN

• Biosfera: es el conjunto de todos los seres vivos que habitan la Tierra.

• La biosfera es un sistema abierto, intercambia materia y energía con el entorno.

• Un ecosistema es un sistema natural integrado por componentes vivos y no vivos que interactúan entre si.– Componentes bióticos

(vegetales, animales, microorganismos)

– Componentes bióticos (humedad, temperatura, gases, tipo de suelo…)

• Comunidad o biocenosis: es el conjunto de seres vivos que habitan en un ecosistema concreto y que se relacionan entre todos ellos.

• Ecosfera: es el conjunto formado por todos los ecosistemas que constituyen la Tierra. La ecosfera es el gran ecosistema planetario.

• Biomas: son los diferentes ecosistemas que hay en la Tierra.

• Selva tropical

• Bosque templado

• Desierto

• Taiga

• Tundra

• Sabana

4.2. RELACIONES TRÓFICAS

• Representan el mecanismo de transferencia energética de unos organismos a otros en forma de alimento.

• Se representa mediante:– Cadenas tróficas.– Niveles tróficos (productores, consumidores y

descomponedores).

A. Productores• Son los organismos

autótrofos (pueden sintetizar materia orgánica).

• Organismos fotosintéticos que captan y transforman la energía lumínica en energía química.– Plantas superiores.– Algas microscópicas y

cianobacterias.• Organismos

quimiosintéticos.

Fotosíntesis y respiración

B. Consumidores

• Son organismos heterótrofos que utilizan la materia orgánica para llevar a cabo sus funciones vitales mediante mecanismos respiratorios.

• Tipos:– Herbívoros o consumidores primarios. Segundo nivel.– Carnívoros o consumidores secundarios. Tercer

nivel.– Carnívoros finales. Cuarto nivel.

Consumidores primarios

Consumidores secundarios

• Redes tróficas:– Omnívoros.– Carroñeros o necrófagos.– Saprófitos o detritívoros (restos orgánicos)

C. Descomponedores

• Se encargan de transformar la materia orgánica en sales minerales que la constituían, con lo que cierran el ciclo de la materia.

4.3. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

• Los ecosistemas siguen unos principios de sostenibilidad natural:– Reciclar al máximo la materia para obtener

nutrientes.– No producir desechos no utilizables.– Utilizar la luz solar como fuente de energía

A. El reciclado de la materia• La materia orgánica es

biodegradable, puede ser transformada en materia inorgánica por la acción de algunos organismos, los descomponedores.

• La materia orgánica que cae al suelo se transforma en sales minerales que puede ser utilizada de nuevo por los productores para la fotosínteis.

• Pueden realizar la transformación de la materia orgánica en inorgánica por vía aerobia o anaerobia.

• El ciclo de la materia tiende a ser cerrado. A veces los nutrientes se escapan de la biosfera por gasificación o lixiviado. También pueden escapar al reciclado (combustibles fósiles).

B. Flujo de la energía

• La energía solar que entra a la cadena trófica mediante la fotosíntesis es transformada en energía química contenida en la materia orgánica.

• El flujo de la energía es abierto.• Es unidireccional.• El flujo disminuye desde los productores hasta

los últimos niveles según la regla del 10% (la energía que pasa de un eslabón a otro es aproximadamente el 10% de la que queda acumulada en él.

• Se cumple la primera ley de la termodinámica, por lo que la energía no se pierde. Parte se pierde en forma de calor.

• El flujo de eslabones de una cadena suele ser reducido.

C. Parámetros tróficos• Son las medidas utilizadas

para evaluar tanto la rentabilidad de cada nivel trófico como del ecosistema completo.

• BIOMASA: es la cantidad en peso de materia orgánica viva o muerta de cualquier nivel trófico o de cualquier ecosistema.Es la manera que tiene la biosfera de almacenar energía solar.

• En forma de biomasa es como se transfiere la energía de unos niveles a otros a lo largo de la cadena trófica.

• PRODUCCIÓN (P): representa la cantidad de energía que fluye por cada nivel trófico.– Producción primaria, es la energía fijada por los

organismos autótrofos.– Producción secundaria, es la correspondiente al resto

de los niveles tróficos.

• Producción bruta (Pb): es la cantidad de energía fijada en cada nivel trófico por unidad de tiempo.

• Producción neta (Pn): es la energía almacenada en cada nivel trófico por unidad de tiempo. Representan el aumento de biomasa por unidad de tiempo. Pn = Pb – R (respiración)

• Primer nivel.– Sólo entre un 2 y un 5 % de la energía solar incidente es

aprovechada por la fotosíntesis y transformada en materia orgánica.

• Resto de los niveles.– Sólo el 10% de la energía acumulada por los productores en forma

de biomasa se transfiere a los herbívoros. Se pierde energía en forma de calor y con las heces.

• PRODUCTIVIDAD: es la relación que existe entre la producción neta y la biomasa (entre los intereses y el capital). Pn/B. – Sirve para valorar la riqueza de un

ecosistema o nivel trófico.– Representa la velocidad con la que se

renueva la biomasa. Tasa de renovación.

• TIEMPO DE RENOVACIÓN: es el periodo que tarda en renovarse un nivel trófico o sistema. B/Pn

• EFICIENCIA: representa el rendimiento de un nivel trófico o sistema. Se calcula mediante el cociente salidas/entradas.Es la fracción de la producción neta de un determinado nivel trófico que se convierte en la producción neta del nivel siguiente

PN/PN nivel anterior · 100– Productores. Energía asimilada/energía incidente. Es inferior al

2% (Pb)– Pn/Pb. Cantidad de energía incorporada a cada nivel respecto al

total asimilado. Son las pérdidas respiratorias (10 a 40% en fitoplancton y más de 50% en vegetación terrestre).

– Consumidores. Pn/alimento total ingerido.

• Desde el punto de vista del aprovechamiento energético es más eficiente la alimentación fundamentalmente herbívora (legumbres, cereales, frutas y verduras)

D. El problema ambiental de la bioacumulación

• Los contaminantes del medio ingresan en las cadenas tróficas y se transfieren junto con la materia y la energía de unos a otros niveles.

• BIOACUMULACIÓN: es el proceso de acumulación de sustancias tóxicas o de compuestos orgánicos sintéticos, en organismos vivos, en concentraciones cada vez mayores y superiores a las registradas en el medio ambiente. Ocurre cuando las sustancias ingeridas no pueden ser descompuestas ni excretadas.

• DDT– Insecticida.– Primavera

Silenciosa (1962) RachelCarson.

4.4. LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS

• Tienen una altura constante y una longitud proporcional al parámetro medido.

– Pirámides de energía. Representan el contenido energético de cada nivel. (Regla del 10%)

– Pirámides de biomasa. Biomasa acumulada en cada nivel (decrece en progresiones del 10%).

– Pirámides de números. Recuento del número total de individuos que constituyen cada nivel.

4.5. FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA

• Es la energía fijada por los organismos productores, constituye la base de las cadenas tróficas.

• Conseguir mejoras agrarias (aumento de la producción primaria vía fotosíntesis) es una preocupación.

• Ley de mínimo (Liebig): el crecimiento de una especie vegetal se ve limitado por un único elemento que se encuentra en cantidad inferior a la mínima necesaria y que actúa como factor limitante.

• Si todos los factores y elementos están en cantidades necesarias, excepto uno de ellos, este último que escasea se denomina factor limitante.

• Los principales factores limitantes son:– Humedad.– Temperatura.– Falta de nutrientes.– Ausencia de luz.

A. La temperatura y la humedad

Plantas C3

Plantas C4

B. Falta de nutrientes

• Los nutrientes son esenciales para la eficiencia fotosintética.

• Su presencia está supeditada a sus ciclos de reciclado.

• El CO2 no es un factor limitante.• Principales factores limitantes:

– Fósforo. Es el principal factor limitante.– Nitrógeno.

– Necesidad de energías externas. La distancia entre productores y descomponedores supone un problema para cerrar los ciclos de la materia. Ej océanos ¿dónde se hace la fotosíntesis? ¿y la degradación de la materia orgánica?

• Afloramientos que se producen en plataformas costeras.

• En ecosistemas terrestres se requiere menor gasto de energías externas para el reciclaje de nutrientes

C. La luz y la disposición de las unidades fotosintéticas

• Salvo en las profundidades oceánicas, no es muy común que la falta de luz sea un factor limitante, pero la propia estructura del aparato fotosintético de los cloroplastos es un factor limitante.

4.6. LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

• Comprenden una serie de caminos realizados por la materia, que escapa de la biosfera a través de otros sistemas (atmósfera, hidrosfera o litosfera) antes de retornar a ella.

• Almacén o reserva, es el lugar donde la permanencia de los elementos es máxima.

• Están perfectamente ajustados por diversas realimentaciones.

• Tienden a ser cerrados, pero las actividades humanas los abren y aceleran.

A. El ciclo del carbono• Es muy importante para la regulación del clima en la Tierra.

– Ciclo biológico. Intercambios con la atmósfera mediante la fotosíntesis y la respiración.

– Ciclo biogeoquímico. Controla las transferencias de CO2 entre la biosfera y los demás subsistemas.

• Formas en las que se encuentra el carbono:– En la atmósfera formando tres tipos de compuestos: CO2, CO y

CH4.– La atmósfera y la hidrosfera intercambian CO2 por difusión

directa.– En la litosfera:

• Rocas carbonatadas.• Silicatos cálcicos.• Combustibles fósiles

• Paso del CO2 de la atmósfera a la litosfera.– Controla la transferencia del CO2 entre la atmósfera,

los océanos y la tierra. Es de gran duración.– El CO2 atmosférico se disuelve con facilidad en agua

para formar ácido carbónico.– Al llegar al mar, los animales transforman

nuevamente el bicarbonato y los iones de calcio en carbonato para incorporarlo a sus tejidos endurecidos.

– En las rocas carbonatadas formará parte del esqueleto cálcico de los organismos marinos, que acabará en los sedimentos tras su muerte. Otra parte pasa en forma de CO2 a la atmósfera.

– Las rocas silicatadas actúan como sumidero de carbono.

• Retorno de CO2 a la atmósfera.– El enterramiento

de algunas rocas carbonatadas produce una fusión parcial de dichas rocas que liberan CO2 a la atmósfera en las erupciones volcánicas.

• Sumideros fósiles.– La materia orgánica

de la biosfera puede quedar sepultada fuera del contacto con el O2, se produce la fermentación que la transformará en carbón y petróleo que se acumulan en la geosfera, lo que supone una rebaja de los niveles de CO2 atmosféricos.

B. Ciclo del fósforo• Se encuentra

mayoritariamente inmovilizado en los sedimentos oceánicos formando parte de la litosfera.

• Su proceso de liberación es muy lento. Se considera no renovable.

• Es un constituyente importante de las biomoléculas y forma parte de las estructuras rígidas.

D. Ciclo del nitrógeno• Es un elemento constituyente de los aminoácidos que

forman las proteínas.• Es el componente mayoritario en la atmósfera (78%),

que actúa como reserva.• La forma en la que se encuentra en la atmósfera (N2) es

prácticamente inaccesible para la mayoría de los seres vivos.

• Hay otros componentes nitrogenados que se mueven con una mayor facilidad: – NH3 (amoniaco), Procede de emanaciones volcánicas y de la

putrefacción de los seres vivos.– NOx procedentes de erupciones volcánicas o se forman durante

las tormentas eléctricas.

• Los óxidos de nitrógeno reaccionan con el agua formando ácido nítrico que cae con la lluvia. Al llegar al suelo reaccionan con los cationes formando nitratos que las plantas asimilan.

• Es un elemento limitante de la producción primaria, pero a diferencia del fósforo hay microorganismos (bacterias y hongos) que pueden captarlo de la atmósfera. Es lo que se denomina fijación biológica.

• Otros procesos de nitrificación.– Bacterias nitrificantes. Son descomponedores

capaces de transformar el NH3 resultante de los procesos de putrefacción de los organismos vivos en nitratos asimilables por las plantas.

– Bacterias desnitrificantes, empobrecen el suelo en nitrógeno, transforman los nitratos en N2.

• Algunas intervenciones humanas en el ciclo del nitrógeno.– Procesos de combustión a altas temperaturas. Combustión de

motores. Lluvia ácida.– Fijación industrial del nitrógeno atmosférico para convertirlo en

amoniaco y fertilizantes.– Abonado excesivo de los cultivos, liberando N2O a la atmósfera, lo

que incrementa el efecto invernadero y una disminución de la fertilidad del suelo porque se produce escasez de nutrientes esenciales.

– El nitrato es uno de los contaminantes más frecuentes en las aguas subterráneas debido al abonado excesivo, a las fugas de fosas sépticas y a los lixiviados que proceden de estercoleros.

D. El ciclo del azufre• Se encuentra

mayoritariamente almacenado en la hidrosfera en forma de sulfato.

• El ciclo de transferencia tierra-océano es bastante lento.

• Durante la evaporación de lagos y mares el azufre se deposita formando yesos.

• Los sulfatos en general son abundantes en los suelos.

• En la biosfera resultan imprescindibles para la síntesis de algunas moléculas orgánicas.

• Sólo las plantas, bacterias y hongos son capaces de incorporarlos directamente en forma de sulfatos.

• En ausencia de O2 el sulfato es reducido a H2S (sulfuro de hidrógeno) por bacterias sulfatorreductoras. El H2S toma dos caminos:– Ascendente hasta lugares oxigenados donde se oxida.– Descendente, combinándose con hierro y precipitando en forma

de piritas.

• El paso del sulfuro de hidrógeno (H2S) del océano a la atmósfera, que sirve para compensar las pérdidas de sulfato hacia el mar, es llevado a cabo, de forma mayoritaria, por unas algas denominadas DMS (dimetil sulfuro). Al morir liberan el dimetil sulfuro a la atmósfera, allí reacciona formando ácido sulfúrico, sobre el que precipita el vapor de agua formando gotas de agua que forman las nubes.

• Al precipitar sobre la tierra en forma de lluvias devuelven el azufre al mar o al continente. Así se cierra el ciclo.