Ecosistemas: Estructura, Función y Producción en Ciencias

Concepto de ecosistema

El término lo definió Roy Clapham en 1930: "conjunto de componentes físicos y
biológicos de un entorno".
Tansley 1935: "El sistema completo, ... incluyendo no sólo el complejo de
organismos, sino también todo el complejo de factores físicos que forman lo que
llamamos ambiente"
Odum 1969 : "Toda unidad que incluye todos los organismos en una zona
determinada interactuando con el entorno físico de tal forma que un flujo de
energía conduce a una estructura trófica claramente definida, diversidad biótica y
ciclos de materiales (es decir, un intercambio de materiales entre las partes
vivientes y no vivientes) dentro del sistema, es un ecosistema"

Conceptos físicos

Teoría de sistemas: "Modelo de
las relaciones que se dan entre
los elementos de la naturaleza"
Termodinámica: "Sistema de
disipación de energía con
propiedades
autoorganizativas"

Ecología de ecosistemas

La ecología de ecosistemas estudia el
flujo de materia y energía, sus
entradas y salidas
· La naturaleza y magnitud de los
ecosistemas es muy variable
· Los ecosistemas tienen
capacidad de autorregulación

Leyes de la teoría ecológica

1. Ley de conservación de la masa y energía (1ª ley de la termodinámica)
2. Los organismos comparten una bioquímica característica (C 48: N7 : P1)
3. Los ecosistemas tienen estructura jerárquica
4. Todos los procesos en los ecosistemas son irreversibles y consumen exergía (energía útil)
5. Todos los ecosistemas son sistemas abiertos (flujo de energía). Su apertura es indicador de su
   vulnerabilidad
6. Los ecosistemas se autoorganizan; no existen organismos aislados
7. Los ecosistemas tienen dinámicas complejas, con tendencia al crecimiento de biomasa, número
   de relaciones, e información
8. Los procesos ecológicos usan la energía captada para alejarse del equilibrio termodinámico
   (disminuye la entropía, aumenta la información)
9. Si un ecosistema puede evolucionar por distintas vías, el sistema selecciona aquella que lo aleja
   del equilibrio termodinámico (intenta maximizar el almacenamiento de energía)

Estructura del ecosistema

calor
calor
SOL
Productor
AUTÓTROFO
Consumidor
HETERÓTROFO
Materia
Inorgánica
Descomponedor
HETERÓTROFO
calor
Componentes
del Ecosistema
Abióticos
Bióticos
Autótrofos: Productores
Heterótrofos: consumidores y
descomponedores
Flujo de energía dentro del ecosistema:
· Producción primaria (bruta) es la energía fijada
mediante la fotosíntesis.
Total de energía captada por los productores del
ecosistema para producir materia orgánica (g o kg por día
o año y unidad de superficie)
· Producción primaria neta (PPN): PPB - Respiración
Es la energía que se convierte en biomasa, disponible
para otros niveles tróficos (g o kg por día o año y unidad
de superficie)

Factores del ecosistema

Ecosistema
FACTORES
FÍSICOS
Interrelaciones
Luz
Agua
Temperatura
Gases
Nutrientes
(sales, minerales,
etcétera.)
FACTORES
BIÓTICOS
Plantas verdes
Productores
Animales
Consumidores
Bacterias y ...
Descompone-
CONSUMIDORES
hongos
dores
PRODUCTORES
DESCOMPONEDORES

Diagrama esquemático de un ecosistema

Respiración
I
7
Energía
radiante
CO2
CO2
Caída de
hojas
Consumo
O2
Productores
H2O
H2O
Translocación
Nutrientes
Elementos abióticos
Deposición
I
Consumidores
I
Descomposición
O
Nutrientes

Cadenas y redes tróficas

Cadenas tróficas describen el flujo de E a través de un ecosistema
Hierba
Saltamontes Gorrión Aguilucho

Niveles tróficos

1. Productores
2. Consumidores primarios (herbívoros)
3. Consumidores secundarios (carnívoros)
4. Consumidores terciarios (carnívoros)
   Omnívoros: distintos hábitos alimenticios según etapa de desarrollo o condiciones ambientales
   Carroñeros: se alimentan de materia animal o vegetal muerta
   Descomponedores: retornan los elementos y moléculas a un estado básico (abiótico)

Red trófica

LL
Arapito
ganga (Bartramia
longicauda)
Aguilucho
pálido
(Circus cyaneus)
Coyote
Serpiente
(Thamnophis
sirtalis)
Comadreja 4
Gorrión pálido
(Spizella palida)
Rana de
pradera
Tejón
Araña
Saltamontes
tierra
Topillo de las Ardilla de
praderas
Geomys
Graja
Pradera
Oruga
La energía fluye a través de los
niveles tróficos

Grupos de organismos en una red trófica

Autótrofos
Producen materia orgánica a
partir de nutrientes y una fuente
de energía
Heterótrofos
Se alimentan de materia orgánica para obtener energía
Productores
Plantas fotosintéticas
Utilizan clorofila para
absorber energía de la luz
Bacterias
fotosintéticas
Utilizan pigmentos para
absorber energía de la luz
Bacterias
quimiosintetizadoras
Utilizan químicos
inorgánicos ricos en
energía (p.ej., H2S)
Consumidores
Herbívoros
(Consumidores primarios)
Animales que se alimentan de
plantas
Detritívoros y
descomponedores
Descomponedores
Hongos y bacterias que
descomponen la materia
Carnívoros
(Consumidores secundarios)
Animales que se alimentan de
consumidores primarios
Carnívoros secundarios
(Consumidores terciarios)
Animales que se alimentan de
otros carnívoros
Parásitos
Plantas o animales que se
asocian a otras plantas o
animales y se alimentan de ellos
por un largo período
Detritívoros
primarios
Organismos que se
alimentan directamente de
detritos
Detritívoros
secundarios
Organismos que se
alimentan de detritívoros
primarios

Parámetros tróficos

Permiten evaluar la acumulación y transferencia de energía o materia que se produce en un ecosistema
Informan del flujo de energía que fluye por el ecosistema o de un nivel trófico a otro
· Biomasa: masa seca o húmeda de todos los organismos de un nivel trófico o
ecosistema, por unidad de superficie o volumen
· Producción: cantidad de energía almacenada en cada nivel trófico o ecosistema en
forma de biomasa, por unidad de superficie o volumen y por unidad de tiempo
· P bruta (PB): cantidad total de energía fijada por un nivel trófico por unidad de tiempo
· P neta (PN): es la energía que se convierte en biomasa, por medio de la respiración (R) y que podrá
ser aprovechada por otros niveles tróficos
PN = PB - R
· Producción primaria (PP): total de energía fijada por los productores
del ecosistema (fotosíntesis / quimiosíntesis) y utilizada para producir
materia orgánica.
2-5% de la energía solar incidente es aprovechada en la fotosíntesis
· Producción secundaria: energía captada por los consumidores
mediante la alimentación
· Productividad: expresa la "rentabilidad" de un nivel trófico o del
ecosistema; relaciona su producción anual con su biomasa inicial
· Productividad neta o tasa de renovación: r = PN / B
valores entre 0 - 1
PN: producción neta
B: biomasa

Productividad

Temperatura, luz y
precipitaciones controlan
la producción primaria en
los ecosistemas terrestres
3000
Producción de materia
seca (g/m2/año)
2000-
1000
0
1000
2000
3000
4000
Precipitación (mm)
(a)
3000
Producción de materia
seca (g/m2/año)
2000
1000-
0
-10
0
10
20
30
(b)
Temperatura (°C)
Figura 20.2 | Producción primaria neta para varios ecosistemas
terrestres en función de (a) la precipitación media anual y
(b) la temperatura media anual. (Adaptado de Reichle 1970.)
.
Bosque tropical
3,25
Bosque de
tsuga-haya
3,00 -
Bosque de
haya-arce
Bosques
de pinos
Parque de castaño-roble -
· Parque de pinos
Producción aérea (log10 g/m2)
2,75
· Pradera de
hierbas altas
2,50-
Tundra
alpina
2,25 -
Tundra
ártica
2,00 -
1,75 -
· Desierto de jarillas
1,50L
-
2.00
2,25
2,50
2,75
3,00
3,25
Evapotranspiración real estimada (log10 mm/año)
Figura 20.4 | Relación entre la producción primaria neta aérea
y la evapotranspiración (real) de varios ecosistemas terrestres. La
evapotranspiración -la combinación de la evaporación y la
transpiración de un sitio- depende de la precipitación
y la temperatura (véase el Capítulo 4). (Adaptado de MacArthur
y Connell 1966.)
3,50

Producción en distintos tipos de ecosistemas

Tabla 20.1 | Producción primaria neta y biomasa vegetal de los ecosistemas mundiales
Ecosistema
(en orden de producción)
Superficie
(106 km2)
Producción primaria
neta media por
unidad de superficie
(g/m2/año)
Producción primaria
neta mundial
(109 Mt/año)
Biomasa media
por unidad de superficie
(kg/m2)
Continentales
Selva tropical lluviosa
17,0
2.000,0
34,00
44,00
Bosque tropical estacional
7,5
1.500,0
11,30
36,00
Bosque templado perenne
5,0
1.300,0
6,40
36,00
Bosque templado caducifolio
7,0
1.200,0
8,40
30,00
Bosque boreal
12,0
800,0
9,50
20,00
Sabana
15,0
700,0
10,40
4,00
Tierra cultivada
14,0
644,0
9,10
1,10
Bosque y matorral
8,0
600,0
4,90
6,80
Pradera templada
9,0
500,0
4,40
1,60
Tundra y prado alpino
8,0
144,0
1,10
0,67
Matorral desértico
18,0
71,0
1,30
0,67
Roca, hielo, arena
24,0
3,3
0,09
0,02
Pantano y marjal
2,0
2.500,0
4,90
15,00
Lago y arroyo
2,5
500,0
1,30
0,02
Total continental
149,0
720,0
107,09
12,30
Marinos
Lechos de algas y arrecifes
0,6
2.000,0
1,10
2,00
Estuarios
1,4
1.800,0
2,40
1,00
Zonas de afloramiento
0,4
500,0
0,22
0,02
Plataforma continental
26,6
360,0
9,60
0,01
Océano abierto
332,0
127,0
42,0
0,003
Total marino
361,0
153,0
55,32
0,01
Total mundial
510,0
320,0
162,41
3,62
Fuente: Adaptado de Wittaker, 1975.
El flujo de energía en el ecosistema se produce en
función de la transformación inicial de energía solar
en producción primaria neta (PPN):
PPN = PPB - R
(kcal /m2 /año; g /m2 /año)
(PP: producción primaria)
PPN se acumula como biomasa vegetal
50
. Ecosistemas terrestres
Selva
tropical
· Ecosistemas marinos
/
lluviosa
Biomasa en pie (kg/m2)
40 -
30
20 ト
10 -
Arrecife de
coral tropical
/
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Producción primaria neta (g/m2/año)
Figura 20.12 | Relación entre la biomasa en pie y la producción
primaria neta de los ecosistemas de la Tabla 20.1. Cabe señalar
la diferencia en la biomasa en pie por unidad de producción
primaria neta entre los ecosistemas terrestres y acuáticos
ya que la radiación fotosintéticamente activa (PAR) disminuye
de forma exponencial con la profundidad del agua. Además, la
tasa de renovación del fitoplancton es muy elevada.

Influencia del clima sobre la producción de los ecosistemas terrestres

· Zona ecuatorial: regiones de mayor producción
primaria neta, donde la combinación de
temperaturas cálidas y precipitación durante todo
el año mantiene elevadas tasas de fotosíntesis y
superficie foliar (selva tropical lluviosa).
· Hacia el Norte y Sur del Ecuador: la estacionalidad
de la precipitación aumenta lo que reduce la
estación de crecimiento y, por lo tanto, también los
valores de producción primaria neta.
· Regiones templadas (latitudes medias): la creciente
estacionalidad de la temperatura reduce la
temperatura media anual y limita la longitud de la
estación de crecimiento
· Continentalidad: a medida que uno se traslada de
la costa al interior de los continentes, tanto la
temperatura como la precipitación media anual
disminuyen reduciendo los valores de producción
primaria neta
Rangos de producción (g/m2/año, materia seca)
<100
250-1000
1500-2000
100-250
1000-1500
>2000
Figura 20.5 | Mapa mundial de la producción primaria para la superficie terrestre (ecosistemas). (Adaptado
de Golley y Leigh 1972.)
Influencia debido al control de la luz y la
temperatura sobre la producción primaria.