CIRCULACION DE MATERIA Y ENERGÍA EN LA BIOSFERA

DEFINICIÓN DE ECOLOGÍA Compuesto por las palabras griegas

oikos (casa, vivienda, hogar) y logos (estudio o tratado), es por tanto la

Ciencia que estudia las relaciones entre los seres vivos y de éstos con el medio

físico-químico que les rodea. Es la ciencia que estudia los ecosistemas.

DEFINICIONES DE ECOLOGÍA

BIOSFERA• Conjunto de seres vivos de la Tierra o

biocenosis del ecosistema planetario

ECOSISTEMA• Es un sistema natural integrado por seres

vivos y no vivos interactuantes.

COMUNIDAD O BIOCENOSIS

Conjunto de seres vivos y sus relaciones

BIOTOPO

Componentes abióticos

DEFINICIONES POBLACIÓN. Conjunto de seres vivos

de la misma especie que viven juntos en un lugar y en un tiempo determinados.

HÁBITAT. Área con las condiciones ambientales adecuadas para el desarrollo de una especie, es decir es el conjunto de biotopos donde puede vivir una especie.

ECOSFERA• El conjunto de todos los ecosistemas de la

Tierra o el gran ecosistema planetario BIOMAS

Los diferentes ecosistemas que hay en la Tierra

RELACIONES TRÓFICAS Mecanismo de transferencia energética

de unos organismos a otros en forma de materia• Cadenas tróficas: unen mediante flechas

los diferentes eslabones o niveles tróficos

Nivel trófico ProductoresNivel trófico ProductoresOrganismos autótrofos capaces de

sintetizar materia orgánica

FOTOSINTÉTICOS Transforman la

energía lumínica en química por la fotosíntesis Bacterias y

cianobacterias Algas (Fitoplancton) Plantas superiores

QUIMIOSINTÉTICOS Oxidan la materia

inorgánica para la obtención de energía Bacterias oxidadoras

como las del azufre

Nivel trófico ConsumidoresNivel trófico ConsumidoresUtilizan la materia orgánica para cumplir

sus funciones a partir de procesos respiratorios

REDES TRÓFICASREDES TRÓFICAS Cadenas tróficas Cadenas tróficas

con más con más ramificacionesramificaciones• Omnívoros• Carroñeros o

necrófagos• Saprófitos,coprófa

-gos o detritívoros

Nivel trófico DescomponedoresNivel trófico DescomponedoresOrganismos detritívoros que

transforman la materia orgánica en sales minerales

Cierran el ciclo de materia pues sus productos los consumen los productores

CICLOS DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

Los ecosistemas siguen unos principios de sostenibilida

d natural

Reciclar al máximo la materia

No producir desechos no utilizables

Utilizar la luz solar como fuente de energía

RECICLADO DE LA RECICLADO DE LA MATERIAMATERIA

M.Órgánica M.InorgánicaBiodegradable Gasificación Lixiviado Combustibles. F Vía aerobiaDESCOMPOSICIÓN Vía anaerobia

Ciclo que tiende a ser

cerrado

FLUJO DE LA ENERGÍAFLUJO DE LA ENERGÍAEscape de calor

Energía Energía Solar Química

Flujo abierto y unidireccional sin cerrarse en un ciclo

NIVELESTRÓFICOS

Regla del 10%: Regla del 10%: La energía que pasa de un eslabón a otro es el 10% de la acumulada en él

NÚMERO DE ESLABONES LIMITADOS

Energía en E. acumulada cadena trófica en M.O CALOR

PARAMETROS TRÓFICOSPARAMETROS TRÓFICOS

Los utilizamos Los utilizamos para evaluar la para evaluar la rentabilidad de rentabilidad de

cada nivel trófico cada nivel trófico y de cada y de cada

ecosistemaecosistema

BIOMASABIOMASA PRODUCCIÓNPRODUCCIÓN

PRODUCTIVIDADPRODUCTIVIDAD TIEMPO DE TIEMPO DE RENOVACIÓNRENOVACIÓN

EFICIENCIAEFICIENCIA

BIOMASABIOMASA Cantidad en peso de M.O viva o muerta en

cada nivel o en un ecosistema Se mide en Kg, g mg…o su equivalente en

energía (1g = 4.5 Kcal) Para calcularla se hace referencia a su

cantidad por unidad de de volumen o superficie(g C/m2 Kg C/m2)

BIOMASA DE UNOS NIVELES A OTROS

(E. química) transferencia

PRODUCCIÓNPRODUCCIÓN Cantidad de energía que fluye por cada

nivel trófico Se mide en g C/m2 día Kcal,J, vatio/ha año…

E. fijada por autótrofos

E. fijada por heterótrofos

PRODUCCIÓN BRUTA PRODUCCIÓN NETA

PRODUCCIÓN PRIMARIA

PRODUCCIÓN SECUNDARIA

PRODUCCIÓNPRODUCCIÓN PRODUCCIÓN BRUTA

(Pb)Cantidad de energía

fijada en cada nivel por unidad de tiempo

Productores: total fotosintetizado

Consumidores: cantidad de alimento asimilado por el total ingerido

PRODUCCIÓN NETA(Pn)

Energía almacenada en cada nivel por unidad de tiempo

Aumento de biomasa por unidad de tiempo

Pn = Pb - R

FLUJO DE ENERGÍA TENIENDO EN CUENTA LOS ANTERIORES PARÁMETROS

M.O/tP.P.

BRUTA

RESTO DE NIVELESRespiración en funciones vitalesCalor

Desechos/ DescomposiciónNo todos son ingeridos

RESTO DE NIVELES (Solo 10%)

P. Bruta secundaria almacenada

(Solo el 10% de la P.P. Neta

almecenada)

P. Neta secundaria

PRODUCTIVIDADPRODUCTIVIDAD Es la relación entre la P.N y la Biomasa P.N/Biomasa (INTERESES/CAPITAL)

Sirve para valorar la velocidad de renovación de Biomasa. Se le llama también tasa de renovación

EFICIENCIAEFICIENCIA Rendimiento de un nivel o sistema

(Salidas/Entradas)• En productores: Se refiere solo a P.bruta

E. asimilada/E. incidente (Menos de un 2%)• Pn/Pb: E. incorporada en cada nivel respecto al

asimilado. Se tienen en cuenta las pérdidas respiratorias

• Consumidores: Pn/Alimento ingerido(Engorde/Alimento ingerido)

EFICIENCIA ECOLÓGICA : (Pn/Pn nivel anterior)· 100EFICIENCIA ECOLÓGICA : (Pn/Pn nivel anterior)· 100(El ser humano tendríamos un mayor aprovechamiento

energético si nos alimentaramos sólo del primer nivel)

Problema ambiental de la Problema ambiental de la bioacumulaciónbioacumulación

Acumulación de sustancias tóxicas (metales pesados…) por vía digestiva, cutánea, o respiratoria en concentraciones cada vez mayores por no poder ser excretados ni descompuestos

MEDICIÓN: Factor de bioconcentración

PIRÁMIDES ECOLÓGICASPIRÁMIDES ECOLÓGICAS

Representación de la energía,

biomasa o nº de individuos

presentes en cada nivel trófico

TIPOS• De energía

• De Biomasa

• De números

PIRÁMIDES DE ENERGÍAPIRÁMIDES DE ENERGÍA Representan el

contenido energético de cada nivel

Siguen la regla del 10%

Se expresan en:Kj/m2 · año Kcal/m2 · año

PIRÁMIDES DE BIOMASAPIRÁMIDES DE BIOMASA Representa la biomasa

acumulada en cada nivel

Pueden aparecer diferencias entre sus niveles

(ej. Productores/herbívoros)

Pirámides invertidas (Fito y zooplancton)

PIRÁMIDES DE NÚMEROSPIRÁMIDES DE NÚMEROS Representan los

números de individuos de cada nivel

También pueden aparecer invertidas

FACTORES LIMITANTES DE FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN LA PRODUCCIÓN

PRIMARIAPRIMARIALey del mínimo

El crecimiento de una especie vegetal se encuentra limitado por el elemento que

se encuentre en cantidad inferior a la necesaria siendo éste

el factor limitante

Principales factores limitantes

Ausencia de luz Humedad Temperatura Falta de nutrientes

AUSENCIA DE LUZAUSENCIA DE LUZ

ENERGÍA INTERNA ENERGÍAS EXTERNAS0.06-0.09% de la total Movimiento aguasolar para fotosíntesis Variaciones climáticasMaquinaria de labradoSistemas de riegoUso de plaguicidasetc…

PRODUCCIÓN PRIMARIA

AUSENCIA DE LUZAUSENCIA DE LUZ Es un factor limitante sobre todo en los

océanos La propia estructura del aparato

fotosintético limita la creación de producción

Los sistemas de captación se hacen sombra

Hay muchas unidades de captación pero un solo centro de reacción

El aumento de intensidad lumínica aumenta la producción hasta una saturación

creando el “efecto cuello de botella”

FOTOSISTEMA

TEMPERATURA Y TEMPERATURA Y HUMEDADHUMEDAD

Ambos factores influyen positivamente sobre la producción, pero si la temperatura aumenta mucho

afectaría a la producción por desnaturalizar las enzimas fotosintéticas (RUBISCO)

•Si la concentración de O2 y CO2 es la normal en la Atmósfera (21 y 0.003 % respectivamente) se favorece la fotosíntesis•Si el O2 es mayor y el CO2 menor a los valores normales se favorece la fotorrespiración que consume O2, no genera materia orgánica y disminuye así la fotosíntesis hasta un 50%•Ambos procesos influyen también sobre la concentración de agua apareciendo varias adaptaciones•Según hagan uno o ambos procesos las plantas se clasifican en plantas C3 y plantas C4

ADAPTACIONES A LA HUMEDAD Y ADAPTACIONES A LA HUMEDAD Y EFICIENCIA DEL USO DEL AGUAEFICIENCIA DEL USO DEL AGUA

PLANTAS C3 Patata, trigo, cebada… Pierden mucha agua por

los estomas. En climas húmedos no es problema pero en secos para evitarlo cierran estos estomas impidiendo la entrada de CO2, el aumento de O2 en su interior y favoreciendo así la fotorrespiración

Máxima productividad 10-30 t/ha al año

PLANTAS C4 Maíz, azúcar, mijo…

Son aventajados a la hora de hacer la fotosíntesis incluso en climas secos, pues acumulan mucho CO2 evitando la fotorrespiración

Máxima productividad 60-80 t/ha al año

MECANISMO CAM EN C4MECANISMO CAM EN C4 Mecanismo ácido de

las crasuláceas

Fijan el CO2 por la noche

Cierran los estomas por el día aprovechando para hacer la fotosíntesis

FALTA DE NUTRIENTESFALTA DE NUTRIENTES La presencia de moléculas inorgánicas está

supeditada al reciclado de las mismas por los ciclos biogeoquímicos

El CO2 no está limitado, más bien se potencia por el efecto invernadero

Fósforo uno de los principales nutrientes limitantes

Nitrógeno el segundo componente más limitante

Necesidad de energías externas como factor limitante( distancia, vientos, oleaje…)

CICLOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOSBIOGEOQUÍMICOS

Caminos seguidos por la materia que abandona la biosfera hasta otros sistemas y

su posterior retorno a la mismaLos elementos permanecen en los medios por tiempo variable formando los almacenes o reservaEstán ajustados por realimentaciones influyendo otros ciclos como el del agua, la respiración…Es un proceso cerrado pero acelerado por las actividades humanas

CICLOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOSBIOGEOQUÍMICOS Ciclos de

elementos gaseosos (su principal depósito es la atmósfera)

N y C Circulan rápidamente

por los diferentes compartimentos del ciclo

Ciclos de elementos sedimentarios (su principal depósito es la corteza terrestre).

P, y S. Son ciclos lentos y

limitan el desarrollo de los seres vivos

CICLO DEL CARBONOCICLO DEL CARBONOhttp://www.youtube.com/watch?v=CjsQ8vwuLOw&feature=related

CICLO DEL CARBONOCICLO DEL CARBONOCICLO BIOLÓGICO

Intercambios de la biosfera con la atmósfera (Fotosíntesis y respiración)

El carbono en la atmósfera aparece como CO2, CO Y CH4

CICLO BIOGEOQUÍMICO

Intercambios de CO2 entre atmósfera y demás subsistemas

Entre atmósfera e hidrosfera el intercambio es por difusión

En la litosfera aparece en rocas carbonatadas, en silicatos cálcicos, arrecifes o en forma de combustibles fósiles

Potenciado el CO2 atmosférico por la quema de combustibles fósiles

ETAPAS DEL CICLO DEL ETAPAS DEL CICLO DEL CARBONOCARBONO

PASO DEL CO2 DE LA ATMÓSFERA A LA

LITOSFERAControla la trasferencia de CO2 entre la atmósfera, océanos y la tierra

Disolución de CO2 atmosférico para formar ácido carbónico

a. Rocas carbonatadas CO2 +H2O+CaCO3 Ca2+ + 2HCO-3

b. Rocas silicatadas 2CO2+H2O+CaSiO3 Ca2+

+2HCO-3+SiO2

ETAPAS DEL CICLO DEL ETAPAS DEL CICLO DEL CARBONOCARBONO

Transformación del bicarbonato y del calcio por los animales marinos para incorporarlo a sus tejidos

c. En animales 2HCO-3+Ca2+ CaCO3+CO2+H2O

En las reacciones a y c para las rocas carbonatadas el En las reacciones a y c para las rocas carbonatadas el bicarbonato formará parte del esqueleto de organismos bicarbonato formará parte del esqueleto de organismos marinos o volverá como COmarinos o volverá como CO22 a la atmósfera, sin pérdida neta a la atmósfera, sin pérdida neta

En las reacciones b y c para las rocas silicatadas se devuelve a En las reacciones b y c para las rocas silicatadas se devuelve a la atmósfera la mitad de los sustraído suponiendo una la atmósfera la mitad de los sustraído suponiendo una pérdida de COpérdida de CO22 como sumidero como sumidero

ETAPAS DEL CICLO DEL ETAPAS DEL CICLO DEL CARBONOCARBONO

RETORNO DEL CO2 A LA ATMÓSFERA

Liberación de CO2 en erupciones volcánicas de las rocas carbonatas enterradas y fusionadas

CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2

SUMIDEROS FÓSILESAlmacenamiento de combustibles fósiles por materia orgánica sepultada. Supone una rebaja del nivel atmosférico de C

CICLO DEL FÓSFOROCICLO DEL FÓSFOROhttp://www.youtube.com/watch?v=PuCisvis5_o

CARACTERÍSTICAS DEL CICLO CARACTERÍSTICAS DEL CICLO DEL FÓSFORODEL FÓSFORO

La mayor reserva se presenta en los sedimentos oceánicos transportados por corrientes desde rocas fosfatadas o cenizas volcánicas que permiten su incorporación trófica por las plantas.

Los decomponedores puede formar fosfatos también incorporados por las plantas, o flitrarse y llegar al mar donde se depositan largo tiempo en rocas, o son filtrados por plancton entrando en la cadena trófica. Vuelve a la corteza en forma de guano

Constituyente importante en biomoléculas formando estructuras rígidas (por ejemplo en el ADN)

En un recurso no renovable pudiendo permanecer en los ecositemas terrestres unos cien años, y en los acuáticos unos diez años

CICLO DEL FÓSFOROCICLO DEL FÓSFORO Factor limitante en

ecosistemas marinos. Su afloramiento

puede generar importantes bancos de alimento.

Eutrofización en zonas donde se usa guano como aditivo agrícola (intervención antrópica)

CICLO DEL NITRÓGENOCICLO DEL NITRÓGENO http://www.youtube.com/watch?v=

e0UkOb15RAA http://www.youtube.com/watch?v=

e0UkOb15RAA

ETAPAS DEL CICLO DEL ETAPAS DEL CICLO DEL NITRÓGENONITRÓGENO

Necesario en los seres vivos presentándose en menos de 1%

En forma inerte N2

Como NH3 procedente de volcanes y putrefaccionesNOX por fijación atmosférica o erupciones volcánicasNOx reaccionan con el H2O para formar HNO3 que en el suelo forman NO3- para las plantas

Reservas en la Biosfera

Reservas en la Atmósfera

ETAPAS DEL CICLO DEL ETAPAS DEL CICLO DEL NITRÓGENONITRÓGENO

FIJACIÓN N2 DE LA ATMÓSFERA Fijación abiótica: Formación de NOx por

procesos químicos espontáneos, como por acción de los rayos

Fijación biológica: Formación de nitrógeno orgánico aprovechable por las plantas a partir de acción de microrganismosVida libre SimbiosisAzotobacter Rhizobium (leguminosas)Cianobacterias Frankia (hongos)

ETAPAS DEL CICLO DEL ETAPAS DEL CICLO DEL NITRÓGENONITRÓGENO

AMONIFICACIÓNConversión del N presente en restos orgánicos a amoniaco

Hidrólisis de las proteínas y ácidos nucléicos para liberar aminoácidos y bases nitrogenadas

Producción de NH3 por desaminación que es la excreción del exceso de N en microorganismos

Se menciona al Rhizobium como claro ejemplo en esta fase

ETAPAS DEL CICLO DEL ETAPAS DEL CICLO DEL NITRÓGENONITRÓGENO

NITRIFICACIÓNOxidación biológica del amonio a Nitrato por microorganismos aerobios

NitritaciónNitritación: partiendo del NH3 se obtiene NO2-

(producido por Nitrosomonas o Nitrosococcus) NitrataciónNitratación: partiendo del NO2

- se obtiene NO3-

(producido por Nitrobacter)

La amonificación y la Nitrificación obtienen Nitrógeno asimilable por las plantas, por lo que se puede introducir en las cadenas tróficas

ETAPAS DEL CICLO DEL ETAPAS DEL CICLO DEL NITRÓGENONITRÓGENO

DESNITRIFICACIÓNDESNITRIFICACIÓN

Transformación de nitratos a N2 que se devuelve a la Atmósfera

Se produce por bacterias anaerobias como algunas Pseudomonas

En esta fase se cierra el ciclo del Nitrógeno

INTERVENCIONES HUMANAS INTERVENCIONES HUMANAS EN EL CICLO DEL NITRÓGENOEN EL CICLO DEL NITRÓGENO Fenómenos de combustión O2+N2 A la atmósfera NO2+H2O Lluvia

ácida Fijación industrial Paso de N2 a NH3 y fertilizantes Abonado excesivo Liberación de N2O a la atmósfera Excesiva fertilización y empobrecimiento del suelo Contaminación por eutrofización (NO3

- contaminante muy común en aguas subterráneas)

CICLO DEL AZUFRECICLO DEL AZUFRE

CICLO DEL AZUFREEN LA BIOSFERA

Plantas, bacterias y hongos los incorporan como SO4

-

SO4-

Reducción a SO3

Reducción a H2S (Utilizable por seres vivos)

Liberación a la atmósfera y otros sistemas tras morir

EN LA HIDROSFERA En lagos y mares profundos

sedimentación como yesos tras la evaporación del agua

En océanos y pantanos sin O2

SO4-

Reducción a H2S por bacterias sulfatorreductoras

Formación Oxidación ade piritas o sulfatos porSedimentos foto o Arcillosos quimiosiíntesis

CICLO DEL AZUFREEN LA ATMÓSFERA

Algas DMS: Al morir masivamente liberan dimetilsulfuro a la atmósfera desde los océanos

LLUVIA ÁCIDA: devuelve el azufre a los mares en forma de lluvia