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Aspectos trofodinámicos de la ecología

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Aspectos trofodinámicos de la ecología

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Cadenas alimentarias y dinámica trófica

• La cantidad de energía que se transfiere entre los niveles sucesivos de una cadena alimentaria es, en promedio, el 10%

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Producción secundaria

• La producción primaria es relativamente fácil de medir.

• La producción secundaria, sin embargo, es más difícil de estimar debido a tiempos generacionales más largos, distribución discontinua de las poblaciones, abundancias poblacionales menores.

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Producción secundaria

• A través de la obtención de datos de campo sobre la abundancia de zooplancton y peces.

• A través de la obtención de datos experimentales sobre la energética del zooplancton y peces.

• Utilizando estimados de producción primaria y conocimientos sobre trofodinámica:

---estimaciones indirectas: conociendo cuanta energía puede ser transferida entre cada nivel trófico.

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Eficiencia ecológica

• Eficiencia con la que la energía puede ser transferida entre niveles tróficos sucesivos.

• Cantidad de energía que se extrae de un nivel trófico λ0 dividida entre la energía que entra al nivel trófico λ1

• Difícil de medir –puede ser estimada a través del uso de las eficiencias de transferencia

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Eficiencia de transferencia

• Et = Eficiencia de transferencia• Pt = productividad del nivel trófico λt

• Pt-1 = productividad del nivel trófico λt-1

• Et = Pt/Pt-1

* No todos los organismos se transfieren… Algunos mueren por otras causas distinitas a la depredación (y entran al ciclo del detritus)

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Eficiencia de transferencia

• ~20% del fitoplancton a los herbivoros

• 10-15% en niveles sucesivos

• La pérdida de energía entre los niveles tróficos llega a ser del 85 al 90%, principalmente debida a la respiración

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How many trophic levels?

• ranges from 2 to 6 levels– less in coastal and/or upwelling areas– more in open ocean (oligotrophic areas)

• number of trophic levels is dependent on the size of phytoplankton– phytos tend to be large in upwelling

regions (WHY?) and small in open ocean areas (WHY?)

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Estimating Secondary Productivity

• Once the trophic structure is known, secondary production can be estimated:

P(n+1) = P1En

• P is productivity at the (n+1)th trophic level• n is number of trophic transfers (trophic levels

minus one)

• P1 is annual primary production

• E is ecological efficiency

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Weaknesses

• E is very sensitive: by doubling E, secondary production can increase 10-fold

• food chain versus food web - trophic transfer is not as simple as equations imply

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AQUÍ VAMOSProductivity

• Productivity refers to biological activity/interaction in the environment

• Measuring productivity– numbers or biomass often measured as

gC/m2/yr• oceanic average productivity = 100 gC/m2/yr

– rates of growth (or excretion, grazing, sinking, etc.)

– organism interactions with the environment and/or each other

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Consumer - Food Interactions

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• Productivity = growth rate - loss rate– For primary productivity

• growth rate varies with light, nutrients, and temperature• loss rate includes respiration, grazing, sinking, and

death

– For secondary productivity• growth rate varies with ingestion of food• loss rate includes respiration, egestion, excretion, and

death

Productivity

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• responsible for most of phytoplankton loss• other loss mechanisms are not really a factor

unless grazing does not occur• grazing can have no impact, prevent a bloom, or

terminate a bloom (depending on timing)• 90% of carbon and energy is lost at each step of

trophic pyramid– material loss due to respiration, DOC, and POC– DOC and POC utilized by microbial loop, detritivores,

etc.

Grazing

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Global Patterns of Productivity

Fish production.Fish production.

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Measuring Secondary Productivity

• in some cases, primary production may not be a good indicator of production at higher trophic levels– eutrophic systems (PP>>grazing)– HABs/selective grazing

• in such cases, excess primary production may enter the microbial-detritus circuit

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Top-down Estimates

• relying solely on fisheries statistics to “fill in the blanks” for lower trophic levels can lead to underestimates– omission of production of competing,

unharvested species

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Zooplankton Productivity

• defined as total amount of new production within a time frame, regardless of whether all individuals survive through the whole time frame

• B = Xw

• B = biomass, X = number of individuals, w = average weight of an individual

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Zooplankton Productivity

• Pt = (X1-X2)((w1+w2)/2) + (B2 - B1)

• Pt = production between time intervals t1 and t2

• B2 - B1 refers to increase in biomass

• the remainder of the equation refers to biomass produced, but lost, during the time interval

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Zooplankton Productivity

• ideally, one would study a single cohort of a population over time– cohort = one identifiable generation of

progeny of a species

• practically impossible to do– cannot follow and sample same water

mass long enough to get meaningful results

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Zooplankton Productivity

• cohort studies focus on following changes in relative numbers and weights of distinctive life stages of abundant species (copepods)

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Zooplankton Productivity

• productivity may change over time – zooplankton stages grow at different rates– rates vary over the course of a year– in temperate regions, growth will be greatest

in the spring when food is plentiful and zooplankton are young

– productivity may be negative in the winter as individuals utilize food reserves rather than eating

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Experimental Biological Oceanography

• laboratory-scale experiments

• enclosed ecosystem experiments

• computer simulations

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Laboratory-scale Experiments

• individual organisms in small volumes of water

• food requirements

• transfer efficiencies

• mainly herbivorous copepods (and phytos)

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Laboratory-scale Experiments

• G = R - E - U - T

• G = Growth

• R = ration of ingested food

• E = egested fecal material

• U = excretory products (e.g., urea and ammonia)

• T = respiration

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Laboratory-scale Experiments

• excretory products (U) are usually negligible, so equation is often simplified to AR = T + G

• A = proportion of food actually utilized

• A = (R - E)/R

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Assimilation Rates

• assimilation rates are highest for carnivores (80 - >90%), lower for herbivores (50 - 80%), and lowest for detritivores (<40%)

• WHY?

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Feeding Rate Estimates

• a known number of zooplankton (1-10s) and a known concentration of food (phytoplankton) are put into a culturing container (kept in the dark - WHY?) and the zooplankton are allowed to feed

• food particle concentrations are remeasured at a later time to determine grazing rates

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Estimating Ingestion (R)

• grazing rates are related to food concentrations

• Michaelis-Menton kinetics

• R = Rmax(1 - e -kp)

• k = grazing constant

• p = prey density

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µmax

½ µmax

Kn

gra

z in

g

rate

food concentration

Ko

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species Bdominates

species Adominates

[phytoplankton]

gra

zin

g r

ate

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Estimating Respiration

• T = respiration rate

• can be determined in closed-bottle experiments

• related to temperature and size of individual

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Estimating Egestion (E)

• fecal matter produced

• copepods produce fecal pellets

• collect them, count them, and weigh them!

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Estimating Growth

• Growth (G) can be determined once R, E, A, and T are known

• Once G is known, growth efficiency can be estimated:– gross: K1 = G/R x 100%

– net: K2 = G/AR x 100%

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Growth Efficiency

• temperature and food concentration will affect growth efficiency

• efficiency changes with age

• net growth efficiency for zooplankton generally vary between 30 - 80%

• terrestrial animals vary between 2 - 5%

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Growth Efficiency

• growth efficiency estimations allow us to determine the food required to produce certain animals at different trophic levels

• still laboratory-based