Tema 2. Ecología.

Las raíces de la ecología se asocian al proceso de evolución del hombre por la relación básica y estrecha que produjo con la ecología.

La palabra ecología se deriva de oekologie que a su vez se deriva a su vez en oikos = casa y logos = tratado, es decir el tratado del lugar donde vives.

Desde la época de Aristoteles e Hipocrates se ha buscado construir una definición de la ecología incluso cuando no se utilizaba este término.

La primera definición de ecología se dio en 1869 por el biólogo alemán Ernest Heinrich Heackel (1834–1919) quien la entiende como estudio de las relaciones de los organismos con su ambiente orgánico e inorgánico.

La ecología es el estudio de las relaciones de individuos de una misma o diferentes especies con su medio lo que incluye diversos factores que sostienen la dinámica de la naturaleza.

Según la forma en que se estudien las relaciones entre individuos y medio, la ecología se puede dividir en: Autoecología: es el estudio de las relaciones e interacciones del medio y demás organismos vivos

con una especie. Sinecología: es el estudio de las relaciones de los factores bióticos y abióticos con diferentes

especies.

También se puede definir según el estudio de una o diferentes especies Ecologia de poblaciones: cuando se ocupa de individuos de una misma especie. Ecologia de comunidades: cuando estudia grupos de organismos de diferentes especies.

Niveles de Organización de la Ecología

La ecología estudia la naturaleza por medio de conceptos tales como transformaciones o ciclos de materia, transferencia o flujos de energía y tipos de organización que toman los elementos.

Los niveles de organización de la ecología más complejos son los ecosistemas y los biomas.

ECOSISTEMA

La palabra ecosistema o sistema ecológico es una unidad de estudio de la ecología en este sistema se interactúan factores bióticos y abióticas.

El termino ecosistema fue acuñado con una definición en 1930 por Roy Clapham para definir un conjunto de componentes físicos y biológicos de un entorno, pero en 1935 el biólogo británico Arthur Tanley, lo define por primera ves como un complejo dinámico de comunidades de plantas, animales y microorganismos con su ambiente no vivo, interactuando como una unidad funcional.

Algunos conceptos son necesarios para entender el funcionamiento de los ecosistemas como son:

Ambiente: Es el medio donde se desarrolla un sistema determinado. Es un conjunto de características físicas, químicas y biológicas, además de sus interacciones que condicionan y definen la calidad el entorno.

Hábitat: conjunto de condiciones ambientales en un sitio adecuado a las demandas de una población de determinada especie.

Nicho ecológico: Función de una especie dentro de una comunidad.

Especie: Grupo o población de individuos similares que pueden reproducirse generando descendencia fértil y que proviene de un mismo ancestro.

Población: nivel de organización compuesta por individuos de una misma especie.

Comunidad: Es el nivel de organización dentro de un ecosistema conformado por varias poblaciones de diferentes especies. También recibe el nombre de biocenosis.

Los ecosistemas requieren mantener un equilibrio entre las cantidades de alimento disponible y el numero de individuos existentes, para lograr esto existen componentes encargados que son los componentes o sustancias inorgánicas como el N,P,C, entre otros; y los componentes orgánicos como las proteínas, los lípidos, el humus, etc. Que establecen el enlace entre los seres vivos y lo inerte. Con condiciones climáticas, como precipitación, vientos, temperatura, brillo solar entre otros.

Equilibrio en el Ecosistema

El ecosistema está sujeto a cambios constantes tales como, cambios de clima, humedad, temperatura, organismos que crecen y son consumidos por otros. A pesar de estas variaciones los ecosistemas conservan cierta estabilidad porque resisten a las tenciones del medio o se recuperan con facilidad.

Se ha observado que entre mayor sea su biomasa y diversidad biológica, mayor es su nivel de estabilidad.

Los flujos de masa y energía, de información química o física, están organizados de tal forma que regulan el sistema dándole estabilidad.

Entre los factores físicos tenemos: la luz, temperatura, humedad, PH, nutrientes, espacio y viento.

La luz es un factor ambiental vital que juega un papel fundamental en la fotosíntesis.

Los factores biológicos más importantes son la depredación, la competencia y adaptabilidad.

La depredación es importante en los ecosistemas ya los organismos heterótrofos necesitan comer para sobrevivir, también existen otras interacciones de interés sobre las especies:

Amensalismo: una especie inhibe el crecimiento de otra sin que esto la afecte. Parasitismo: es un caso particular de depredación, el depredador es mas pequeño que su presa y

se alimenta de tejidos o suministros del huésped. Comensalismo: una especie saca provecho de un huésped sin que este sea afectado. Protocooperación. Es una relación que favorece a las dos especies pero no es obligatoria. Mutualismo: es otro tipo de relación entre dos especies benéfica y necesaria para ambas.

Flujos de Energía en un Ecosistema.

Todo sistema requiere de energía para funcionar, pues este es uno de os factores más importantes para el desarrollo de la vida.La fuente principal de energía de la naturaleza es el sol. Activando la dinámica y movimiento de todos los procesos de la naturaleza. Esta energía proveniente del sol viaja en forma de ondas electromagnéticas de diferentes longitudes de onda que cubren el espectro que va desde 0.2 a 4 micras, encerrando ondas cortas como los rayos gama y rayos x y de muy alta frecuencia como los rayos ultravioleta.

Entre las radiaciones ultravioleta e infrarrojas se encuentra el espectro de la luz visible que abarca las longitudes de onda entre 0.39 y 0.76 micras y esta parte corresponde a aproximadamente al 505 de la radiación total de energía por el sol. Esta luz visible es la energía utilizada por la naturaleza para los procesos de fotosíntesis.

La energía proveniente del sol se mide en cantidad de calor que pasa en un área de 1 cm2 en un minuto y es aproximadamente 2 calorías/ cm2/minutos. Este valor recibe el nombre de constante solar.

Del total de la radiación emitida por el sol un 33% es reflejada por la atmosfera y las nubes, luego y 10% es reflejado por el polvo y el vapor de agua en la atmosfera y otro 3% es absorbido; posteriormente un 10% es reflejado por la superficie o el alveolo, del 44% restante un 22% es absorbido por el suelo y luego reflejado en forma de calor y el 22% es utilizado por otros procesos en la naturaleza como por ejemplo la fotosíntesis.

En resumen solo un 1% de la energía inicial radiada por el sol, es utilizada por las plantas para la fotosíntesis, en algunos casos en condiciones naturales puede llegar esta energía a un 3% y en culticos tecnificados puede llegar hasta un 4.5%.

Esta energía utilizada por las plantas es aprovechada solo un 10% en biomasa vegetal, es decir, en frutos, tallos, hoja y ramas.

Las transformaciones que sufre la energía a medida que circula en los ecosistemas se rigen por la primera y segunda ley de la termodinámica.

Primera ley: la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.Segunda ley: Ningún proceso de transformación de energía ocurre espontáneamente, a menos que pase de un estado concentrado a un estado disperso.

Productividad de los ecosistemas

La luz solar es utilizada para la fotosíntesis con ayuda de la clorofila y la presencia de bióxido de carbono y agua en una reacción química.

6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6H2O

Mediante esta reacción las plantas fabrican su propio alimento y almacenan energía que posteriormente es consumida por los heterótrofos. La energía almacenada circula en la naturaleza en forma de Adenosin Trifosfato ATP y es utilizada para procesos vitales mediante la respiración por reacciones químicas

C6H12O6 + 6 O2 → 38 ATP + 6 O2 + 6H2O + energía en forma de calor

Es un proceso inverso a la fotosíntesis, las plantas fabrican alimento pero también consumen parte de este por eso manejan dos tipos de productividad.

Productividad bruta: es la energía total fijada en la planta por la fotosíntesis.Productividad neta: Es la energía fijada por la fotosíntesis menos la energía gastada por la planta, es decir la energía empleada en la respiración.

Pneta = Pbruta - Respiración

Existe una llamada productividad secundaria que se refiere a la cantidad de energía almacenada por los animales en la comunidad después de consumir la energía fijada en los vegetales.

La energía circula a través de las cadenas tróficas, los niveles tróficos son determinados por una cadena alimenticia, primero están los organismos productores o autótrofos, luego los heterótrofos o organismos consumidores, que se dividen en herbívoros, carnívoros de primer, segundo y hasta tercer nivel, posteriormente los consumidores carroñeros o saprófagos por ultimo los descomponedores o detritívoros. A través de cada nivel de la cadena trófica se transfiere solo un 10% de la energía y esto se conoce como ley del 10% o ley del diezmo ecológico, por esta razón se considera que el numero máximo de niveles en una cadena será de 4 a 5.

Ciclos Biogeoquímicos

El termino biogeoquimico se deriva del hecho que existen movimientos cíclicos naturales en donde se dan cambios físicos y químicos de forma constante.Los diferentes compuestos químicos que forman el planeta sufren reacciones químicas, cambios de fase, desplazamiento por diferentes medios. Todos estos materiales necesarios para la vida se encuentran en la biosfera y deben reciclarse a través de los ecosistemas con ayuda de los organismos. Estos organismos no solo reciclan compuestos, sino que también los reduce y mineralizan para facilitar la absorción de estos por los organismos autótrofos.

Tipos d Ciclos Biogeoquímicos

Ciclos Exogénicos: Son ciclos que ocurre mayormente en la superficie de la Tierra y usualmente tiene un componente atmosférico.

Ciclos Endogénicos: Envuelven rocas internas o de subsuperficie. No tiene componente atmosférico.

Ciclo del Agua

El agua es considerado el componente más importante para los seres vivos, ya que constituye el 70% en el hombre, en hongos el 80% y en organismos acuáticos es superior.

El agua sirve como vehículo de materia y energía debido a sus propiedades químicas y termodinámicas.

De la cantidad total del agua existente en el planeta un 97% corresponde a las aguas oceánicas, un 2.25% se encuentra congelada en los polos, cumbres o glaciares, el 0.74 constituye los ríos , lagos y aguas subterráneas y un 0.01% se encuentra en la atmosfera en forma de vapor de agua.Las fuerzas motrices del ciclo hídrico son la gravedad y la energía solar, la gravedad influye en los ríos y las aguas subterráneas, mientras el resto del ciclo hídrico esta determinado por la energía solar.la absorción de la energía genera vaporización tanta en las aguas continentales como en las oceánicas y la energía también incide en los vientos y las corrientes.

El agua en forma de vapor al llegar a las nubes se condensa liberando energía, por lo que también se puede considerar el agua en un medio de trasporte de energía los que produce reducciones de temperatura en diferentes zonas de la tierra.

Otro efecto adicional de este ciclo se da por la capacidad solvente del agua durante la lluvia, absorbe compuestos solubles de la atmosfera como el O2, N2, CO2 y óxidos de S y N.

El 88% de la vaporización anual corresponde a los océanos y el 12% restante a la evapotranspiración de los continentes.

De la precipitación anual el 79% es recibida por los océanos y el 21% por los continentes.

El hombre reduce la cantidad de agua por extracción en lagos y agua subterráneas, modificando la calidad del agua al contaminarla, disminuyendo su escorrentía y filtración al modificar el suelo.

El agua subterránea es el resultado de la filtración de agua por el suelo y formaciones rocosas hasta el nivel freático.

Ciclo del Oxigeno

El oxígeno se encuentra presente en todo el ámbito terrestre. Es un importante componente de la corteza terrestre, donde representa un 28,5% en peso, formando silicatos, carbonatos, fosfatos, sulfatos y óxidos metálicos, químicamente estables. En el sistema hidrológico forma parte de la molécula de agua y también está como O2 disuelto. Finalmente, la atmósfera contiene un 23,2% en peso de oxígeno, principalmente a la forma de O2.

El O2, tanto atmosférico como disuelto en agua, es altamente reactivo, participando en los procesos de oxidación asociados a los ciclos geoquímicos del carbón, hidrógeno, nitrógeno, azufre y Hierro.

La mayor parte del O2 es producido por acción de la fotosíntesis que ocurre en presencia de luz:

n CO2 + n H2O →n O2 + (CH2O)n

Adicionalmente, una pequeña cantidad de oxígeno se forma por fotodisociación del agua en las regiones superiores de la atmósfera, debido a la acción de los rayos ultravioleta (UV). La radiación UV también está involucrada en la conversión del O2 a ozono (O3), en la estratósfera. El ozono tiene una gran capacidad para absorber la letal radiación UV, impidiendo que ésta alcance la superficie terrestre.El O2 participa en todas las reacciones de oxidación, tanto aquellas que ocurren por procesos químicos espontáneos, como debido a la acción respiratoria de los organismos vivientes, por ejemplo:

(CH2O)6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

CH4 + 2O2 → CO2 + 2 H2O

S= + O2 → SO2

SO2 + O2 → SO4=

El oxigeno ha mantenido su concentración en la atmosfera por miles de años de forma constante, posiblemente debido a mecanismos de regulación, probablemente ligados al ciclo del carbono.

Ciclo del carbono

El 99% del carbono del planeta se encuentra presente en las rocas a la forma de carbonato (normalmente, como CaCO3) o como carbono orgánico disperso. El 1% restante se encuentra presente en: la atmósfera, los seres vivos, los combustibles fósiles y compuestos orgánicos e inorgánicos disueltos en agua.

El carbono acompaña estrechamente al ciclo del oxígeno en los procesos fotosintéticos y en los procesos de oxidación de materia orgánica, ya sea por la combustión o por actividad biológica.

El CO2 generado por la oxidación de compuestos orgánicos se disuelve fácilmente en agua. Más del 98% del CO2 se encuentra disuelto en los océanos (como HCO3

− y CO3=), mientras que el 2% restante se

mantiene en la atmósfera.CO2 (disuelto) + HO− → HCO3− H+ + CO3

=

La proporción en que se encuentran estos compuestos depende fundamentalmente del pH de la solución. La mayoría de los océanos tiene un pH entre 8 y 8,3, y en promedio, cerca de 13% de la mezcla está como CO3

=. En las capas oceánicas superficiales, existe una gran actividad fotosintética, con un alto consumo de CO2, por lo que la reacción tiende a desplazarse hacia la izquierda para restaurar el equilibrio químico. Por otra parte, en las profundidades marinas, existe una producción neta de CO2 debido a la actividad respiratoria y a los procesos de oxidación de la materia orgánica muerta. Bajo estas condiciones, la reacción se mueve hacia la derecha, incrementando la concentración de CO3

=. Si el incremento de concentración del ion carbonato es significativo, y se excede el producto de solubilidad del CaCO3 (KPS= 4,47 10−8 M−1), se producirá una mayor precipitación de CaCO3, principal constituyente de las conchas marinas.

Ciclo del Nitrógeno

El nitrógeno a la forma de N2 representa el 76% en peso de la atmósfera terrestre y constituye la principal reserva de nitrógeno en el planeta. Al contrario de otros elementos, el nitrógeno presente en el suelo proviene principalmente de la atmósfera. El N2 tiene una baja reactividad química y sólo se oxida a altas temperaturas. El nitrógeno es un componente importante de los organismos vivientes, principalmente como N-3, a la forma de grupo amino (R-NH2) en los aminoácidos y proteínas. Desde el punto de vista bioquímico, pocos organismos pueden utilizar directamente el N2 atmosférico. Sin embargo, existen varios puentes entre la comunidad biológica y el nitrógeno atmosférico. Las reacciones fotoquímicas en la atmósfera, las bacterias y algas fijadoras de nitrógeno del suelo y el mar, y fertilizantes químicos. Los microorganismos juegan un importante papel en las complejas transformaciones químicas que caracterizan el ciclo geoquímico del nitrógeno, particularmente, en los procesos de asimilación, fijación, desnitrificación, nitrificación y amonificación.

El N2 atmosférico es transformado en N-3 a través de la acción de microorganismos existentes tanto en el agua como en el suelo, en un proceso denominado fijación del nitrógeno. Existe una abundante comunidad de microorganismos capaces de fijar el N2, entre ellas: bacterias aeróbicas (ej. Azotobacter sp., Thiobacillus sp., algas verde-azules), bacterias anaeróbicas (ej. Clostridium sp., Desulfovibrio sp., bacterias fototróficas), bacterias en asociación simbiótica con: nódulos de leguminosas (ej. Rhizobium sp.), líquenes (ej. cianobacterias), etc.

La fijación de N2 en los océanos es relativamente baja, siendo las algas verde-azules las responsables de la casi totalidad de la actividad fijadora. Se estima que una gran parte de la fijación marina, ocurre en los arrecifes de coral y en las áreas litorales, en asociación simbiótica con algunas plantas acuáticas.

Una vez el nitrógeno es tomado por las plantas es entregado a los animales, parte del nitrógeno utilizado es perdido por excreciones especialmente urea.

De la misma forma, los cadáveres de los organismos son degradados por las bacterias y hongos produciendo nitrógeno en forma de amoniaco a este proceso se le llama amonificación. Posteriormente el amoniaco es transformado por las bacterias inicialmente, en nitrito y luego en nitrato. Por último los nitratos son transformados por acción de las bacterias generalmente en condiciones anóxicas, liberando el nitrógeno y regresándolo a la forma atmosférica.

Aparte del N2O suministrado a la atmósfera por las reacciones de desnitrificación y la combustión de materia orgánica nitrogenada, otros óxidos se generan por oxidación directa del N2 a altas temperaturas (por ejemplo, debido a los relámpagos o durante la combustión de combustibles fósiles):

N2 + O2 → 2 NO

N2 + 2 O2 → 2 NO2

El N2O es el más estable de los óxidos de nitrógeno y logra llegar a la estratósfera. Allí, la alta radiación UV es capaz de fotolizar dicha molécula y alrededor del 95% se transforma en N2, mientras que el 5%

pasa a NO. Este proceso ocurre a alturas superiores a 20 km. y las principales reacciones se pueden sintetizar:

N2O → NO + NUv

N2O → N2 + OUv

N2O + O 2 → NO

El NO estratosférico es importante, ya que cataliza la descomposición del ozono en la alta estratósfera.Finalmente, los óxidos gaseosos de nitrógeno, llamados comúnmente NOx, sufren oxidación a nitrato, el cual es absorbido por el agua y cae a la superficie con la lluvia, reduciendo su pH.

Ciclo del fosforo

Los compuestos de fósforo presentan, en general, baja solubilidad y volatilidad. La mayor reserva de fósforo se encuentra en las rocas y otros depósitos formados durante millones de años de evolución geológica. Dichos depósitos se han ido erosionando en forma gradual, liberando compuestos de fósforo, principalmente ortofosfatos (PO4

-3), hacia los ecosistemas.

Una gran fracción de estos flujos de fosfato es lixiviada al mar, donde eventualmente se deposita en los sedimentos. Entre los compuestos inorgánicos típicos se encuentran: Ca3 (PO4)2 , Al PO4 , Fe PO4 .

El fosforo ubicado en las rocas se obtiene mediante la meteorización e intemperismo de estas al pasar los años, por la acción del condiciones físicas, químicas y biológicas, apareciendo en el suelo como fosfato orgánico disuelto que es tomado por las plantas por medio de las raíces, con el fosforo se realizan procesos de metabolismos y se forman nuevos tejidos que posteriormente los animales toman y lo asimilan, por ultimo las bacterias fosforizante transforman el fosforo encontrado en las heces y restos de materia orgánica en fosfato disuelto.

El fosforo que va al mar es recuperado por los peces y estos sirven a su ves de alimento para aves que, que luego depositan su guano en los suelos.

El fosforo que se ubica en los sedimentos de los océanos se pierde pues solo se recupera cuando se presentan transformaciones biológicas.

El fósforo es un componente clave del protoplasma de los seres vivos. Tal como se menciona más adelante, el fósforo forma parte de las moléculas de ATP, ADP y AMP, que son fundamentales en la transferencia de energía celular, y de las moléculas de ADN y ARN, constituyentes del material genético de las células. Normalmente, el fósforo es el factor limitante en la fertilidad de los suelos y de los ecosistemas acuáticos. Su baja solubilidad limita su disponibilidad como nutriente.

En los lagos, los niveles de nitrato y de fosfato son bajos, constituyéndose en los nutrientes limitantes para el crecimiento de las algas fotosintéticas. Se requiere 1 átomo de fósforo por cada 12-20 átomos de nitrógeno, para sostener una actividad biológica balanceada. Las fuentes antrópicas de P provienen de los vertidos de efluentes domésticos e industriales. En particular, los altos consumos de detergentes fosfatados pueden generar eutrofización en aquellos cuerpos de agua donde el fósforo es el reactivo limitante.

Ciclo del Azufre

El azufre tiene su principal reserva en la corteza terrestre y solo una pequeña parte en la atmosfera, está incorporado prácticamente en todas las proteínas y de esta manera es un elemento absolutamente esencial para todos los seres vivos.

Se desplaza a través de la biosfera en dos ciclos, uno interior y otro exterior. El ciclo interior comprende el paso desde el suelo (o desde el agua en los ambientes acuáticos) a las plantas, a los animales, y de regreso nuevamente al suelo o al agua por acción de microorganismos que los descomponen en forma de H2S. Cuando la materia orgánica se descompone, el azufre proteico se transforma en H2S.

R-SH → H2S + RH

El H2S se genera principalmente en ambientes terrestres y en marismas, donde prevalecen condiciones anóxicas. Además, muchas especies de fitoplancton marino son capaces de producir dimetil sulfuro ((CH3)2S) y H2S a partir de la reducción de sulfatos presentes.Ambos compuestos son volátiles y sufren una rápida oxidación espontánea en la atmósfera, donde se transforman en SO2 y, eventualmente, en sulfato (SO4=):

H2S → SO2 → SO3 → SO4=

La oxidación de los sulfuros también puede ocurrir en el suelo, los sedimentos y en medio acuático, a partir de procesos biológicos (ej.: bacterias tiobacilares).Los compuestos de azufre atmosféricos vuelven a la biosfera por medio de la lluvia y algunas veces el SO2 es absorbido de forma directa por las plantas desde la atmosfera.

La utilización del sulfato en las reacciones biológicas involucra un acoplamiento con el ciclo del carbono, donde el sulfato actúa como aceptor de electrones. El sulfato, al igual que el nitrato y el fosfato, son la principal forma química que es reducida por los organismos autótrofos e incorporada a las proteínas.

El principal compuesto de azufre en la atmósfera es el SO2, proveniente de fuentes naturales y antrópicas. El dióxido de azufre es generado naturalmente durante las erupciones volcánicas y durante la combustión espontánea de biomasa forestal. Las principales fuentes antrópicas son los procesos de combustión de combustibles fósiles y la refinación de minerales sulfurados. Ello constituye un flujo que permite reciclar el azufre desde las profundidades de la tierra a la atmósfera y su eventual disposición como sulfato.