Tema 4

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Tema 4

  1. 1. CIC JULIO SÁNCHEZCirculación de materia y energía
  2. 2. CIC JULIO SÁNCHEZ 1.- DEFINICIONES PREVIAS Biosfera es el conjunto de todos los seres vivos que habitan la Tierra Los ecosistemas son sistemas complejos como el bosque, el río o el lago, formados por una trama de elementos físicos (el biotopo) y biológicos (la biocenosis o comunidad de organismos)Los organismos viven en poblaciones que se estructuran encomunidades. El concepto de ecosistema aún es más amplio que el decomunidad porque un ecosistema incluye, además de la comunidad, elambiente no vivo, con todas las características de clima, temperatura,sustancias químicas presentes, condiciones geológicas, etc.
  3. 3. CIC JULIO SÁNCHEZ
  4. 4. CIC JULIO SÁNCHEZ El ecosistema estudia las relaciones que mantienen entre sí los seres vivos que componen la comunidad, pero también las relaciones con los factores no vivos. La ecosfera en su conjunto es el ecosistema mayor. Abarca todo el planeta y reúne a todos los seres vivos en sus relaciones con el ambiente no vivo de toda la Tierra.El funcionamiento de todos los ecosistemas esparecido. Todos necesitan una fuente deenergía que, fluyendo a través de los distintoscomponentes del ecosistema, mantiene la viday moviliza el agua, los minerales y otroscomponentes físicos del ecosistema. La fuenteprimera y principal de energía es el sol. En todos los ecosistemas existe, además, un movimiento continuo de los materiales
  5. 5. . Los diferentes CIC JULIO SÁNCHEZelementos químicospasan del suelo, elagua o el aire a losorganismos y deunos seres vivos aotros, hasta quevuelven, cerrándoseel ciclo, al suelo o alagua o al aire.En el ecosistema la materia se recicla -en un ciclo cerrado- y la energíapasa - fluye- generando organización en el sistemaDesde el punto de vista termodinámico la ecosfera es un sistema cerrado( intercambia energía pero no materia)Biomas son los diferentes ecosistemas que hay en la TierraLos ecosistemas se estudian analizando las relaciones alimentarias, losciclos de la materia y los flujos de energía.
  6. 6. CIC JULIO SÁNCHEZ2.- RELACIONES TRÓFICASLa vida necesita un aporte continuo de energía que llega a laTierra desde el Sol y pasa de unos organismos a otros a través dela cadena trófica.Las redes dealimentación (reunión detodas las cadenastróficas) comienzan enlos productores que sonlos organismosautótrofos ( capaces desintetizar materiaorgánica). Se dividen en - Fotosintéticos: transforman la energía lumínica en energía química. Pertenecen a este grupo , algunas bacterias, cianobacterias, algas y plantas
  7. 7. - Quimiosintéticos: Utilizan la energía de reacciones de oxidación. CIC JULIO SÁNCHEZSon principalmente bacteriasParte de la materia orgánica sintetizada es utilizada por los propiosorganismo fotosintéticos para el proceso de respiración; es decir laenergía es utilizada en los procesos vitales y se transforma en calor.El resto de la materia orgánica se almacena y puede ser transferida alsiguiente nivel tróficoEl siguiente nivel corresponde a losconsumidores que son una serie deorganismos heterótrofos que utilizan lamateria orgánica tomada directa oindirectamente de los autótrofos.Podemos distinguir: consumidores primarios: se alimentan de losproductores ( herbívoros); consumidores secundarios se alimentan delos primarios ( carnívoros) y consumidores terciarios que sealimentan de los secundarios (carnívoros finales)
  8. 8. CIC JULIO SÁNCHEZAdemás podemos encontrar ramificaciones en lasredes tróficas; ya que existen omnívoros : que sealimentan de más de un nivel; carroñeros onecrófagos que se alimentan de cadáveres y lossaprófitos o detritívoros que consumen todo tipo derestos orgánicos ( ramas, hojas, heces...)Finalmente el último nivel de la cadena tróficacorresponde a los descomponedores quetransforman la materia orgánica en inorgánica paracompletar el ciclo de materia. Encontramosbacterias y hongos3.- PARAMETROS TRÓFICOSSon indicadores de la rentabilidad de un nivel trófico concreto o detodo el ecosistema
  9. 9. 3.1 BIOMASA CIC JULIO SÁNCHEZCantidad en masa de materiaorgánica viva o muerta de cualquiernivel trófico o de un ecosistema porunidad de área o volumenIndica la manera que tiene labiosfera de almacenar energíaunidades: gramos de peso fresco o seco, gramos de carbono, calorías(1g=4Kcal). Se suele referir a una superficie concreta (g/m2; g/ha;etc)En la Geosfera la biomasa vegetal es más abundante que la animal, yentre los diferentes puntos varía mucho. En la Hidrosfera la biomasavegetal es menor que la animal
  10. 10. CIC JULIO SÁNCHEZSe pueden considerar tres tipos de biomasa:1.-BIOMASA PRIMARIA: La producida directamente por losproductores.2.-BIOMASA SECUNDARIA: La producida por consumidores ydescomponedores.3.-BIOMASA RESIDUAL: La producida como resultado de laacción antrópica., tanto de origen primario ( serrín, paja, alpechín)o secundario ( estiércol, residuos alimenticios...)
  11. 11. 3. 2 PRODUCCIÓN CIC JULIO SÁNCHEZincremento de biomasa por unidad de tiempo.• nos da una idea del flujo de energía por unidad de superficie y detiempo.• también de la biomasa consumible por un nivel trófico superiorsin poner en peligro la estabilidad del ecosistema.• unidades: las de biomasa referidas a tiempo (g/m2/dia, Kcal/ha/año,Se llama producción primaria a la energíafijada por por los organismos autótrofos yproducción secundaria a la correspondienteal resto de los niveles tróficosProducción bruta (Pb) ; es la energía totalfijadaProducción neta (Pn) : energíaalmacenada. Se obtiene de:Pn= Pb - R , siendo R lo que se gasta en larespiración
  12. 12. CIC JULIO SÁNCHEZPara la producción neta ( energía almacenada) se cumple la llamadaregla del 10% : La energía que pasa de un eslabón a otro en unacadena trófica es aproximadamente el 10 % de la acumulada en élEsta regla explica el número tan reducido de eslabones en unacadena trófica
  13. 13. CIC JULIO SÁNCHEZLos ecosistemas naturales de mayor producción son los arrecifesde coral, los estuarios, las zonas costeras, los bosques ecuatorialesy las zonas húmedas de los continentes.Los menos productivos son los desiertos y las zonas centrales delos océanos.
  14. 14. CIC JULIO SÁNCHEZ3.3 PRODUCTIVIDAD Y TASA DE RENOVACIÓNProductividad es la relación entre la producción y la biomasa.p=P/BLa productividad bruta será pB = PB / BLa tasa de renovación ( turnover) es la productividad neta pN = r= PN / B La tasa de renovación varía entre 0 y 1, e indica la producciónde nueva biomasa en cada nivel trófico en relación con laexistente. La tasa de renovación es en muchos casos un parámetromucho mejor que la producción neta para valorar el flujo de energíade un ecosistema. El plancton por ejemplo tiene una producciónmenor que los vegetales terrestres, sin embargo tienen una mayorproductividad por que su tasa de reproducción es muy alta y serenuevan muy rápidamente.
  15. 15. CIC JULIO SÁNCHEZ Por este motivo la biomasa que habitualmente es menor a medida que subimos en los escalones de la pirámide trófica, en este caso es al revés y la biomasa es mayor en los herbívoros que en los productores Cuando se empieza a colonizar un territorio la productividad es muy alta, a medida que el territorio se va colonizando y se alcanza la estabilidad la biomasa alcanza un valor máximo y la productividad es mínima. .•En un cultivo agrícola la tasa de renovaciónsería próxima a 1.•En un pastizal sería entre 0 y 1.•En un bosque maduro sería cercana al 0.•Un pastizal tiene una estructura muy simple, eltiempo de permanencia de la biomasa es breve ysu productividad es alta
  16. 16. CIC JULIO SÁNCHEZ cuando un ecosistema es estable y muy organizado, hay una gran cantidad de biomasa y una gran biodiversidad, pero su productividad es baja y disminuye el flujo de energía: entra mucha energía pero se gasta porque hay una gran cantidad de biomasa.La selva tropical tiene unaproducción muy alta pero unaproductividad cercana al 0 En lasexplotaciones agrícolas, el serhumano extrae del ecosistema unagran parte o la totalidad de labiomasa al final de la temporada.Esto disminuye los gastos porrespiración y un aumento de laproductividad. Sin embargo debereponerse al suelo la materiaextraída.
  17. 17. CIC JULIO SÁNCHEZ3.4 TIEMPO DE RENOVACIÓNEs el tiempo que tarda un nivel trófico, o un ecosistema completo, enrenovar su biomasa. tr = B / PN Es una medida del tiempo depermanencia de los elementos químicos dentro de las estructurasbiológicas del ecosistema. Los productores pueden presentas dosestrategias en relación a su tr:1.Especies rápidas. Son pequeños, de estructura y morfologíasimple, y con una tasa de reproducción alta. Fitoplancton2.Especies lentas. Son de gran tamaño, estructura y morfologíacompleja, y una tasa de reproducción muy baja. Bosques deencinas. En los ecosistemas suelen estar presentes ambos tipos paraasegurar un aporte energético suficiente al ecosistema. En un lagosuele haber fitoplancton y algas más lentas. En un encinar haytambién un estrato herbáceo
  18. 18. CIC JULIO SÁNCHEZ3.5 EFICIENCIA BIOLÓGICA Mide el rendimiento energético de un nivel trófico o de un ecosistemacompleto, es decir, la capacidad de incorporar materia orgánica a sustejidos.Nos indica cuanta energía entra, se pierde o se acumula en cada niveltrófico o en un ecosistema completo. Se calcula mediante entradas ysalidas:PRODUCTORES: Se puede medir la PPB mediante:energía asimilada/ energía solar incidenteLos valores son muy bajos entre el 1 y 3 %.También se puede medir la relación PN/PB.Así se calculan las pérdidas por respiración, excreción,...En el fitoplancton supone del 10 al 40 %. En vegetales terrestres el50%
  19. 19. CIC JULIO SÁNCHEZCONSUMIDORES: Se suele usar la relación:PN/alimento ingerido o Engorde/ alimento ingerido.Las medidas de eficiencia son interesantes para valorar losecosistemas explotados por el ser humano, siempre que secontabilicen correctamente las entradas y salidas del sistema,especialmente los INSUMOS: costes de: combustibles de lasmáquinas, gastos en semillas especiales, administración,vacunación.La eficiencia puede mejorarse en la producción de alimentosacortando las cadenas tróficas. Así se aprovecha más energía queentra en el ecosistemas y se puede alimentar a mayor cantidad deindividuos.
  20. 20. RESUMEN PARÁMETROS TRÓFICOS PRODUCTIVIDAD TIEMPO DE EFICIENCIA BIOMASA PRODUCCIÓN Tasa de renovación RENOVACIÓN La cantidad de energía Es el tiempo que tardaCantidad de Materia almacenada por Energía por en renovarse un nivel trófico Orgánica unidad de tiempo cada nivel trófico o un ecosistema Por nivel trófico o en unen todo el ecosistema eslabón o ecosistema Se puede medir en en relación con días, años, ... SECUNDARIA la materia orgánica total Niveles consumidores PRIMARIA Nivel de productores El porcentaje de energía Pn / B B / Pn que es transferida desde un g C/m2 . día nivel trófico al siguiente Kcal/ha . año g C/cm2 Es la parte kg C/m2 de la producción neta tm C/ha de un determinado P. BRUTA P. NETA nivel trófico que se convierte en Pn/Pn del nivel anterior . 100 Pn del nivel siguiente Energía fijada Energía almacenada Pn/Pb . 100 Mide la cantidad de energía por unidad de tiempo por unidad de tiempo incorporada a un nivel trófico respecto del total asimilado Pn = Pb - R
  21. 21. CIC JULIO SÁNCHEZ4.- PIRAMIDES TRÓFICASSon esquemas que se utilizan para representar cuantitativamente lasrelaciones tróficas entre los distintos niveles de un ecosistema.Se utilizan barras superpuestas que suelen tener una altura constante yuna longitud proporcional al parámetro elegido, de manera que el árearepresentada es proporcional al valor del parámetro que se mide.El nivel DESCOMPONEDORES no se suele representar, ya que esdifícil de cuantificar.Se suelen usar tres tipos de pirámides:1.Pirámides de energía,2.Pirámides de biomasa3.Pirámides de números.
  22. 22. CIC JULIO SÁNCHEZ4.1 PIRÁMIDES DE ENERGÍAExpresa el contenido energético que cada nivel trófico pone adisposición del nivel superior, es decir la producción neta decada nivel. También se llaman PIRÁMIDES DEPRODUCCIÓN.Las unidades se suelen expresar en:Energía (Kcal o Kjul) / unidad de superficie. Unidad de TiempoSiempre tendrá forma decreciente hacia arriba por la Ley del10%Proporciona información sobre el FLUJO ENERGÉTICO
  23. 23. CIC JULIO SÁNCHEZ 4.2 PIRÁMIDES DE BIOMASA Indican la biomasa acumulada en cada nivel trófico, expresada en: peso seco de materia orgánica / unidad de superficie o volumen o su equivalente en: energía/ unidad de superficie o volumen.Estas pirámides serefieren a periodos detiempo corto por lo queno informan sobre lacantidad de materiaproducida a lo largo deltiempo o de suvelocidad deproducción
  24. 24. CIC JULIO SÁNCHEZEsto puede inducir a que en algunos momentos se observenPIRÁMIDES INVERTIDAS debido a que los datos se toman enun momento determinado, por ejemplo cuando los datos setoman en el momento de mayor consumo por parte de losherbívoros, como en algunos ecosistemas marinos.Proporciona información sobre LA CANTIDAD DEMATERIA ORGÁNICA PRESENTE EN CADA NIVELTRÓFICO y sobre LA COMPOSICIÓN YFUNCIONAMIENTO DEL ECOSISTEMA
  25. 25. CIC JULIO SÁNCHEZ 4.3.- PIRÁMIDES DE NÚMEROSExpresan el nº concreto deindividuos de cada niveltrófico por unidad desuperficie o volumen. Lainformación queproporcionan NO ES UTILSI SE QUIERENCOMPARAR DOSECOSISTEMAS ya queconsidera igual a organismosmuy diferentes. ( saltamontesy vacas). En el caso de queincluyan parásitos puede daruna forma INVERTIDA.
  26. 26. CIC JULIO SÁNCHEZ5.- FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIALey 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:a) Temperatura y humedadLa eficiencia fotosintética aumenta al hacerlo ambos parámetros pero si la temperatura aumenta mucho la producción primaria decrece mucho debido a la desnaturalización de las enzimas fotosintéticas
  27. 27. CIC JULIO SÁNCHEZb) Falta de nutrientesEl principal factor limitante de la producción primaria es el fósforodebido a su escasa presencia y dificultan en su obtenciónEn segundo lugar está el nitrógeno que sólo algunosmicroorganismos logran fijarlo desde la atmósferac) Luz y la disposición de las unidades fotosintéticasLa luz incide sobre los sistemas de captación o fotosistemas. Porello al aumentar la intensidad lumínica se produce un incrementode la fotosíntesis hasta alcanzar un nivel determinado en el que seproduce la saturación de los fotosistemas. Por ello las plantas sonmás eficientes con pequeñas intensidades de luz ( atardecer oamanecer)
  28. 28. CIC JULIO SÁNCHEZ6.- CICLOS BIOGEOQUÍMICOS 6.1 Ciclo del carbono El carbono es elemento básico en la formación de moléculasorgánicas están formadas por cadenas de carbonos enlazadosentre sí.La reserva fundamental de carbono, en moléculas de CO2 quelos seres vivos puedan asimilar, es la atmósfera y la hidrosfera.Este gas está en la atmósfera en una concentración de más del0,03% y
  29. 29. CIC JULIO SÁNCHEZcada año aproximadamente un 5% de estas reservas de CO2, seconsumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo el anhídridocarbónico se renueva en la atmósfera cada 20 años.La vuelta de CO2 a la atmósfera se hace cuando en la respiración losseres vivos oxidan los alimentos produciendo CO2. En el conjunto de labiosfera la mayor parte de la respiración la hacen las raíces de las plantasy los organismos del suelo y no, como podría parecer, los animales másvisibles.Los seres vivos acuáticos toman el CO2 del agua. La solubilidad de estegas en el agua es muy superior a la de otros gases, como el O2 o el N2,porque reacciona con el agua formando ácido carbónico. En losecosistemas marinos algunos organismos convierten parte del CO2 quetoman en CaCO3 que necesitan para formar sus conchas, caparazones omasas rocosas en el caso de los arrecifes. Cuando estos organismosmueren sus caparazones se depositan en el fondo formando rocas
  30. 30. CIC JULIO SÁNCHEZEste C volverá lentamente al ciclo cuando se van disolviendo lasrocas.Los combustibles fósiles acumulados en el suelo son resultado deépocas en las que se ha devuelto menos CO2 a la atmósfera del quese tomaba.
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  33. 33. CIC JULIO SÁNCHEZ6.2 Ciclo del nitrógenoLos organismos emplean el nitrógeno en la síntesis de proteínas,ácidos nucleicos (ADN y ARN) y otras moléculas fundamentalesdel metabolismo. Su reserva fundamental es la atmósfera, endonde se encuentra en forma de N2, pero esta molécula no puedeser utilizada directamente por la mayoría de los seres vivos(exceptuando algunas bacterias).Esas bacterias y algas cianofíceas que pueden usar el N2 del airejuegan un papel muy importante en el ciclo de este elemento alhacer la fijación del nitrógeno. De esta forma convierten el N2 enotras formas químicas (nitratos y amonio) asimilables por lasplantas.El amonio (NH4+) y el nitrato (NO3-) lo pueden tomar las plantaspor las raíces y usarlo en su metabolismo. Usan esos átomos de Npara la síntesis de las proteínas y ácidos nucleicos. Los animales
  34. 34. CIC JULIO SÁNCHEZEn el metabolismo de los compuestos nitrogenados en los animalesacaba formándose ión amonio que es muy tóxico y debe ser eliminado.Estos compuestos van a la tierra o al agua de donde pueden tomarlosde nuevo las plantas o ser usados por algunas bacterias.Algunas bacterias convierten amoniaco en nitrito y otras transformaneste en nitrato. Una de estas bacterias (Rhizobium) se aloja en nódulosde las raíces de las leguminosas (alfalfa, alubia, etc.) y por eso estaclase de plantas son tan interesantes para hacer un abonado natural delos suelos.Donde existe un exceso de materia orgánica en el mantillo, encondiciones anaerobias, hay otras bacterias que producendesnitrificación, convirtiendo los compuestos de N en N2, lo que haceque se pierda de nuevo nitrógeno del ecosistema a la atmósfera.A pesar de este ciclo, el N suele ser uno de los elementos que escaseany que es factor limitante de la productividad de muchos ecosistemas.
  35. 35. CIC JULIO SÁNCHEZ
  36. 36. CIC JULIO SÁNCHEZ 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
  37. 37. CIC JULIO SÁNCHEZ6.3 Ciclo del fósforoEl fósforo es un componente esencial de los organismos. Formaparte de los ácidos nucleicos (ADN y ARN); del ATP y de otrasmoléculas que tienen PO43- y que almacenan la energía química; delos fosfolípidos que forman las membranas celulares; y de loshuesos y dientes de los animales. Está en pequeñas cantidades enlas plantas, en proporciones de un 0,2%, aproximadamente. En losanimales hasta el 1% de su masa puede ser fósforo.Su reserva fundamental en la naturaleza es la corteza terrestre. Pormeteorización de las rocas o sacado por las cenizas volcánicas,queda disponible para que lo puedan tomar las plantas. Confacilidad es arrastrado por las aguas y llega al mar. Parte del que esarrastrado sedimenta al fondo del mar y forma rocas que tardaránmillones de años en volver a emerger y liberar de nuevo las sales defósforo..
  38. 38. CIC JULIO SÁNCHEZOtra parte es absorbido por el plancton que, a su vez, es comido pororganismos filtradores de plancton, como algunas especies de peces.Cuando estos peces son comidos por aves que tienen sus nidos entierra, devuelven parte del fósforo en las heces (guano) a tierra.Es el principal factor limitante en los ecosistemas acuáticos y en loslugares en los que las corrientes marinas suben del fondo, arrastrandofósforo del que se ha ido sedimentando, el plancton prolifera en lasuperficie
  39. 39. CIC JULIO SÁNCHEZ
  40. 40. 6.4 CICLO DEL AZUFRE CIC JULIO SÁNCHEZMayoritariamente almacenado en la hidrosfera, en forma de sulfatos contransferencia muy lenta entre hidrosfera y litosfera.En la litosfera forma los yesos, abundantes en los suelos y fácilmentelavados hacia los medios acuáticos.En la biosfera forma parte de ciertos aminoácidos como cisteína,metionina. Las bacterias, hongos y plantas toman sulfatos los transformanen sulfitos, en sulfuros y de aquí los incorporan en sus reacciones debiosíntesis para transferirlos a otros nivelestróficos. Con la muerte los sulfuros se liberan a la atmósfera.En la hidrosfera en anaerobiosis, por bacterias sulfatorreductoras, en zonaprofundas los sulfatos se combinan con hierro (pirita) o con arcillas,pudiendo volver a la superficie en erupciones volcánicas o por combustiónEn superficie, con oxígeno, el sulfhídrico se combina con oxígeno paraformar sulfatos mediante reacciones de fotosíntesis o quimiosíntesisdependiendo de si es en presenciade luz o no..
  41. 41. De la hidrosfera a la atmósfera corre a cargo de las algas DMS CIC JULIO SÁNCHEZ(dimetilsulfurosas) que transforman el dimetilsulfuro en sulfatoso SOx que al combinarse con el agua formará ácido sulfúrico ylluvia ácida. Estos SOx son también liberados por combustión
  42. 42. CIC JULIO SÁNCHEZ La actividadindustrial delhombre estaprovocando excesode emisiones degases sulfurosos ala atmósfera yocasionandoproblemas como lalluvia ácida.
  43. 43. 7.- BIOACUMULACION CIC JULIO SÁNCHEZSe trata de un proceso de acumulación de sustancia tóxicas, por ejemplometales pesados (mercurio o plomo) o de compuestos orgánicossintéticos, en organismos vivos, en concentraciones cada vez mayores ysuperiores a las registradas en el medio ambiente.Las sustancias ingeridas no pueden ser descompuestas ni excretadas.Se mide mediante el factor de bioconcentración: la relación existenteentre las concentraciones del organismo y el agua o el aire circundante.

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