Tema 10 Dinรกmica de los ecosistemas
1. Introducción 2. Relaciones tróficas de los seres vivos 2.1. Los niveles tróficos 2.2. Cadenas y redes tróficas 3. El ciclo de la materia y el flujo de la energía 3.1. El ciclo de la materia 3.2. El flujo de la energía 4. Los ciclos biogeoquímicos 4.1. Ciclo del carbono 4.2. Ciclo del nitrógeno 4.3. Ciclo del fósforo 5. Productividad de los ecosistemas 6. Pirámides tróficas 7. Dinámica de las poblaciones 7.1. Estrategias de crecimiento de las poblaciones 8. Dinámica de las comunidades
Tema 10 - Dinámica de los ecosistemas
1. Introducción Las especies que viven en un ecosistema se clasifican atendiendo a la forma de obtener la materia y la energía que necesitan para llevar a cabo sus funciones vitales, por lo que se establece una relación entre todas ellas, dependiendo unas de otras. Por esta razón, es necesario entender cómo circula la materia y la energía por los ecosistemas de nuestro planeta. La materia va pasando de inorgánica a orgánica formando un ciclo, mientras que la energía se va perdiendo a medida que va pasando de unos organismos a otros. La disponibilidad de ambas determinará la presencia de unas especies u otras y la complejidad del ecosistema. Los cambios constantes que se producen en los ecosistemas provocan que las poblaciones varíen con el tiempo, analizando el número de individuos y las relaciones que se establecen entre los diferentes niveles tróficos del ecosistema se puede comprender la dinámica de las poblaciones y las comunidades, así como las consecuencias que tendrá la alteración de sus condiciones.
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2. Relaciones tróficas de los seres vivos Los seres vivos necesitan materia para renovar sus estructuras y permitir su crecimiento y desarrollo. Además, también necesitan energía para llevar a cabo sus funciones vitales. La manera de obtener materia y energía determinará la forma de vida de los organismos y el lugar que ocupan en el ecosistema. 2.1.- Los niveles tróficos: Los niveles tróficos están formados por aquellos organismos que obtienen la materia y la energía de la misma forma, de manera que los seres vivos quedarán organizados en tres niveles principales: ➯ Productores: Organismos que son capaces de producir materia orgánica a partir de materia inorgánica (agua y sales minerales). Son organismos autótrofos y pertenecen a este grupo las plantas, las algas y algunas bacterias. La mayoría de ellos obtienen energía a partir de la energía del Sol.
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➯ Consumidores: Organismos incapaces de fabricar su propia materia orgánica a partir de materia inorgánica, por lo que necesitan alimentarse de otros seres vivos para obtener la energía y la materia que necesitan. Son organismos heterótrofos y aquí se incluyen los animales, los hongos, los protozoos y algunas bacterias. Según el tipo de ser vivo que les sirva de alimento diferenciaremos tres tipos de consumidores: ➺ Consumidor primario: Se alimentan de los productores y son los organismos herbívoros (se alimentan de plantas en los ecosistemas terrestres y de algas en los acuáticos). ➺ Consumidor secundario: Se alimentan de los consumidores primarios, aquí se incluyen los carnívoros o depredadores. ➺ Consumidor terciario: Se alimentan de los consumidores secundarios, llamados superdepredadores.
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➯ Descomponedores: Forman un nivel trófico igual de importante que los productores, ya que son los responsables de transformar la materia orgánica en inorgánica para que vuelva a ser utilizada por los productores. Son organismos heterótrofos, se alimentan de todos los niveles tróficos (cadáveres, excrementos y otros restos) y aquí se incluyen los hongos y algunas bacterias.
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2.2.- Cadenas y redes tróficas: Son las representaciones gráficas de los diferentes niveles tróficos, ya que todos los niveles están relacionados entre sí porque obtienen la materia y la energía que necesitan del nivel trófico inferior. ➯ Cadenas tróficas: Representación lineal y ascendente de las relaciones alimentarias que se establecen entre los niveles tróficos, es decir, de la transferencia de materia y energía de unos organismos a otros. Se realiza conectando los diferentes niveles mediante flechas que irán desde el nivel inferior al superior.
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➯ Redes tróficas: Representación de muchas cadenas tróficas de un ecosistema que interactúan entre sí, ya que los organismos suelen alimentarse de varias especies. Ofrecen una visión más realista de las interacciones que ocurren en un ambiente determinado.
Red trófica de un encinar
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3. El ciclo de la materia y el flujo de la energía Los diferentes niveles tróficos se clasifican atendiendo a cómo obtienen materia y energía los organismos, por lo que existe una circulación de ambas entre las especies que conforman un ecosistema, pero cada una se transfiere de una manera, condicionando totalmente su disponibilidad y la cantidad de niveles tróficos. 3.1.- El ciclo de la materia: La Tierra es un sistema cerrado en lo que respecta a la materia, ya que no entra ni sale de nuestro planeta. Esto significa que deberá reciclarse para evitar que se agote, formando un ciclo en el que el agua, las sales minerales y el dióxido de carbono (materia inorgánica) se transforman en materia orgánica por algunos organismos (autótrofos) y, después de circular por los diferentes niveles tróficos, volverá a transformarse en materia inorgánica mediante la acción de otros seres vivos (descomponedores), volviendo a comenzar el ciclo.
Materia inorgánica Organismos productores
Materia orgánica
Organismos descomponedores
Materia orgánica
Organismos consumidores
Materia orgánica
➀ Los organismos productores consumen materia inorgánica del medio y la transforman en materia orgánica
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➁ La materia orgánica fabricada por los productores va pasando por todos los niveles tróficos del ecosistema
➂ Los restos de los seres vivos son aprovechados por los organismos descomponedores, que transforman la materia orgánica de nuevo en inorgánica
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3.2.- El flujo de la energía: Al contrario que la materia, la energía forma un sistema abierto en la Tierra, ya que entra energía procedente de la radiación solar y sale en forma de calor. Esto significa que la energía no es reutilizable y no forma un ciclo en su transferencia por los niveles tróficos, es un flujo unidireccional que se va perdiendo a medida que va pasando por los seres vivos. La energía lumínica del Sol se transforma en energía química por los organismos autótrofos a través de la fotosíntesis. En este proceso, la energía se acumula en los enlaces químicos que forman la materia orgánica y en este estado podrá ser utilizada por los organismos consumidores y descomponedores al romper dichas moléculas orgánicas. El problema de la energía es que se va perdiendo a medida que pasa de un nivel trófico al siguiente ya que una parte será utilizada para realizar sus funciones vitales y otra se pierde en forma de calor. Las pérdidas de energía tienen dos consecuencias: ➯ Las cadenas tróficas de los ecosistemas no suelen tener más de cinco niveles tróficos porque la energía disponible de uno a otro es muy pequeña. ➯ A medida que ascendemos de un nivel trófico al siguiente, el número de individuos desciende porque no hay energía suficiente para que puedan vivir.
➀ Los organismos productores capturan la energía solar y la almacenan en la materia orgánica que fabrican
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➁ Una parte de la energía se transforma en calor y se pierde, quedando menos energía para el siguiente nivel trófico
➃ La energía restante va pasando por los diferentes niveles tróficos
➂ Una parte de la energía es utilizada por los seres vivos para realizar sus funciones vitales, quedando menos energía para el siguiente nivel trófico
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4. Los ciclos biogeoquímicos La materia en los ecosistemas se recicla, por lo que los átomos son los mismos, pero no los enlaces químicos que forman, dando lugar a moléculas orgánicas o inorgánicas en función de las transformaciones que sufra. Los ciclos biogeoquímicos son los movimientos de los elementos químicos entre los seres vivos y el ambiente (atmósfera, hidrosfera y geosfera) mediante procesos de producción y descomposición y los más importantes son los siguientes: 4.1.- Ciclo del carbono: El carbono inorgánico se encuentra en forma de CO2 atmosférico, un gas que es incorporado por los organismos autótrofos a través de la fotosíntesis para obtener materia orgánica. El carbono en forma de materia orgánica irá pasando por los diferentes niveles tróficos a través de la alimentación y será eliminado por todos los seres vivos implicados en el ciclo a través de la respiración, devolviendo a la atmósfera el carbono inorgánico en forma de CO2. Los restos orgánicos, cadáveres y excrementos serán utilizados por los descomponedores, devolviendo ese carbono a través de la respiración y cerrando el ciclo. Una parte del carbono fijado será transformado en caparazones y esqueletos, que podrán formar rocas calizas de origen orgánico. Otra parte no será descompuesta y se transformará en combustibles fósiles (carbón y petróleo) y su combustión por parte del hombre devolverá a la atmósfera este carbono almacenado en forma de CO2.
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Ciclo del carbono CO2 atmosférico Quema de Erupciones combustibles volcánicas fósiles Fotosíntesis
Fotosíntesis
Respiración
Quema de biomasa vegetal
Respiración
Roca caliza Sedimentos marinos
Combustibles fósiles
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4.2.- Ciclo del nitrógeno: El nitrógeno puede encontrarse en los ecosistemas en tres formas, en forma de gas en la atmósfera (N2), como nitrógeno inorgánico en los suelos y en el agua (nitratos, nitritos y amonio), y como nitrógeno orgánico en las proteínas y ácidos nucleicos. El nitrógeno atmosférico (N2) es el gas más abundante de la atmósfera, pero los organismos autótrofos no pueden utilizarlo directamente; los únicos organismos que pueden son las denominadas bacterias fijadoras del nitrógeno, pasando el N2 a nitratos inorgánicos que podrán ser utilizados por los organismos autótrofos (plantas y algas) para convertirlos en nitrógeno orgánico. En este estado, el nitrógeno orgánico podrá pasar por los diferentes niveles tróficos. Los restos vegetales, los excrementos, la orina y los cadáveres de animales serán utilizados por los organismos descomponedores y convertirán los compuestos nitrogenados de la materia orgánica en amonio. Las denominadas bacterias nitrificantes transformarán el amonio en nitratos, cerrando el ciclo. Existen otro tipo de bacterias, las bacterias desnitrificantes, que son capaces de transformar los nitratos en nitrógeno atmosférico, retornando parte del nitrógeno a la atmósfera.
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Ciclo del nitrógeno
N2 atmosférico
Bacterias del suelo fijadoras de N2
Restos orgánicos Nitratos asimilables
Bacterias Bacterias nitrificantes desnitrificantes
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4.3.- Ciclo del fósforo: El fósforo se encuentra en determinadas rocas de la corteza terrestre (rocas fosfatadas) y por procesos de meteorización las rocas se descomponen, liberando los fosfatos que contienen al suelo para que puedan ser asimilados por las plantas y transformados en fósforo orgánico. En este estado, el fósforo irá pasando por todos los niveles tróficos. Los restos de vegetales y animales serán descompuestos por los descomponedores, liberando fosfatos que podrán volver a asimilar los vegetales, comenzando otra vez el ciclo. Una parte de los fosfatos del suelo serán arrastrados por escorrentía del agua hacia mar, donde podrá ser asimilado por las algas y, después, por el resto de organismos marinos (peces y aves marinas). Los restos de los organismos marinos se acumulan en los fondos marinos, originando rocas fosfatadas que, con el tiempo, podrán aflorar a la superficie por movimientos orogénicos. Las aves marinas producen el denominado guano, excrementos ricos en fósforo, siendo otra forma de devolver el fósforo a los ecosistemas terrestres y es muy utilizado como abono en la agricultura, abonando los cultivos para que siempre contengan los fosfatos necesarios.
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Ciclo del fósforo
Fosfatos que llegan al mar por escorrentía Fosfatos disueltos en el agua Fosfatos en rocas sedimentarias Fosfatos en sedimentos marinos
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5. Productividad de los ecosistemas Como se ha visto en los puntos anteriores, los niveles tróficos dependen totalmente del nivel anterior para obtener la materia y la energía que necesitan, pero los organismos utilizan parte de esta materia y energía para crecer y realizar las funciones vitales, y otra parte se pierde, ya sea durante la respiración o en materia no utilizable por el nivel siguiente. Esto significa que no toda la materia y energía producida por los productores pasa al siguiente nivel y así sucesivamente. Para medir estos cambios se utilizan los siguientes parámetros: ➯ Biomasa: Es la cantidad de materia que constituye un organismo, una población, un nivel trófico o la biocenosis de un ecosistema y se mide en unidades de masa por unidad de superficie en los ecosistemas terrestres (g/m2) o por unidad de volumen en los ecosistemas acuáticos (g/m3). Para analizar los cambios en la biomasa se utilizan dos parámetros: ➯ Producción: Es el aumento de la biomasa por unidad de tiempo y se puede considerar la producción de un nivel trófico o de todo un ecosistema. Como la materia generada por un nivel trófico no llega en su totalidad al siguiente nivel, se emplean dos tipos de producción. Producción = ∆ Biomasa/Tiempo (g/m2/día)
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➺ Producción bruta (PB): Es la cantidad total de materia orgánica generada por un nivel trófico por unidad de tiempo. Pero toda la biomasa generada no pasa al siguiente nivel trófico. ➺ Producción neta (PN): Es la cantidad de materia orgánica de un nivel trófico que queda disponible para el siguiente nivel y se calcula restando a la PB la respiración (R), ya que la mayor parte de la materia orgánica generada se utiliza en la respiración para obtener energía y usarla para realizar las funciones vitales. Se estima que solo el 10% de la materia generada por un nivel trófico queda disponible para el siguiente, motivo por el que el número de niveles en un ecosistema es tan reducido.
PN = PB - R
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➯ Productividad: Es la relación entre la producción neta y la biomasa de un nivel trófico, es decir, mide lo que produce una unidad de biomasa. Productividad = PN/B x 100 Los factores limitantes reducirán la productividad de los ecosistemas y según la capacidad que tengan las especies para soportar estos factores las clasificaremos en dos tipos: Eurioicas
Estenoicas
Son muy tolerantes a las variaciones ambientales. Normalmente No toleran grandes variaciones ambientales, pero si se dan sus tienen mucha descendencia, pero pocos cuidados parentales, por condiciones óptimas, el número de individuos será elevado (son lo que el número de individuos adultos no es muy alto (son especialistas). Normalmente tienen poca descendencia y generalistas). cuidados parentales.
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6. Pirámides tróficas Representaciones gráficas de los diferentes tróficos de un ecosistema mediante rectángulos por cada nivel (primero los productores y después los consumidores, los descomponedores no se representan) y proporcionales respecto al valor que representan. Pueden representar la energía, la biomasa o el número de individuos: Pirámide de números
Pirámide de biomasa
Pirámide de energía
Representa el número de individuos que posee cada nivel trófico
Representa la cantidad de biomasa que hay en cada nivel trófico
Representa la energía almacenada en cada nivel trófico
Energía solar/Calor Productores Consumidores primarios Consumidores secundarios Consumidores terciarios
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Pirámides de número
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Pirรกmides de biomasa
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Pirámide de energía
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7. Dinámica de las poblaciones El número de individuos de una población no permanece estable a lo largo del tiempo. Al interaccionar con los factores abióticos y bióticos del ecosistema, podrá sufrir cambios como consecuencia de múltiples factores como la escasez de comida, épocas de sequía o enfermedades. Los cambios en las poblaciones pueden analizarse para conocer cómo responde una especie a un ambiente determinado y a sus cambios. Para conocer cómo cambia una población se debe conocer la capacidad de carga, que se define como el tamaño máximo de población que un ecosistema puede soportar en un periodo determinado, es decir, es el número máximo de individuos de la población que pueden sobrevivir en ese ecosistema.
Capacidad de carga
➀ Fase de latencia: El crecimiento inicial es lento, la población se asienta en el ecosistema. ➁ Fase exponencial: Al existir muchos recursos, la población crece rápidamente. ➂ Fase estacionaria: La capacidad de carga limita el crecimiento y la población se estabiliza, llegando a su equilibrio. ➃ El número de individuos oscila alrededor de la capacidad de carga.
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Los cambios en las poblaciones hacen que el número de individuos nunca se mantenga en unos valores fijos, por esta razón, cuando una población alcanza su capacidad de carga sufrirá oscilaciones en torno a este valor. Si los cambios presentan fluctuaciones puntuales se deberán a fenómenos climáticos, enfermedades o competencia con otra especie, pero normalmente los cambios son cíclicos debido a factores estacionales o a interacciones con otras especies.
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Sistema depredador-presa
Cambios cíclicos en la interacción entre un depredador y su presa. Si aumenta el número de presas (liebre), después de un tiempo crecerá el número de depredadores (lince) al disponer de más alimento, este hecho provocará un descenso en las presas que dará lugar a un gran descenso de depredadores. Al caer el número de depredadores, aumentará el número de presas, comenzando el ciclo otra vez. Las curvas fluctúan en ambas especies, con los picos separados debidos al tiempo de respuesta.
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Existen muchos factores que influyen en el crecimiento o en el descenso de una población, pero los principales son:
Tasa de natalidad
Tasa de inmigración
Número de nacimientos que se producen en una población en relación a su tamaño y en un tiempo determinado
Número de individuos que ingresan en una población procedentes de otros lugares
Tasa de emigración
Tasa de mortalidad
Número de individuos que abandonan una población para dirigirse a otra diferente
Número de muertes que se producen en una población en relación a su tamaño y en un tiempo determinado
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Para relacionar la natalidad y la mortalidad está el potencial biótico (r) de una población, que se define como la diferencia entre la tasa de natalidad y la tasa de mortalidad: Finalmente, la tasa de crecimiento será la diferencia entre la tasa de natalidad más la de inmigración, y la tasa de mortalidad más la de emigración. Si la diferencia es positiva, la población está en crecimiento, si es negativa, la población está descendiendo. ➯ Si en una población de 5000 individuos nacen 300 y mueren 250 durante un año, calcula la tasa de natalidad, la tasa de mortalidad y el potencial biótico. ➯ Si una población de 2000 individuos tiene una tasa de natalidad de 0,5 y una tasa de mortalidad de 0,1: ➺ Calcula el potencial biótico y el número de individuos después de dos generaciones. ¿La población está aumentando o disminuyendo?
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7.1.- Estrategias de crecimiento de las poblaciones: Ante las dificultades que tienen las poblaciones para crecer en un ecosistema, las especies han adoptado diferentes estrategias de crecimiento: Estrategas de la r
Estrategas de la K
Especies con altas tasas de crecimiento, ya que aprovechan eficazmente los recursos de los que disponen. Como crecen rรกpidamente, agotan los recursos disponibles, por lo que tendrรกn que desplazarse a otros territorios o pasar por estados de letargo, siendo especies oportunistas
Especies que prefieren adaptarse al medio donde viven, por lo que mantienen poblaciones estables y con un crecimiento controlado, ya que tienen pocos descendientes, pero con cuidados para garantizar su supervivencia. Son especies especialistas del medio donde viven
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8. Dinámica de las comunidades Al igual que las poblaciones, los ecosistemas también cambian con el tiempo debido a las variaciones físicas, químicas y biológicas que se producen en ellos, esto provoca que unas comunidades sean sustituidas por otras, dando lugar a una sucesión ecológica, definida como la secuencia de cambios graduales que sufre un ecosistema a lo largo del tiempo. Las sucesiones pueden conducir a dos situaciones: ➯ Clímax: A medida que la sucesión avanza, aumenta la complejidad del ecosistema, alcanzando una composición estable y en equilibrio que no sufrirá cambios importantes si las condiciones se mantienen. Durante la sucesión ecológica que conduce a alcanzar su clímax, se va produciendo un aumento en la diversidad de especies (más niveles tróficos y mayor complejidad de las redes tróficas), se van sustituyendo las especies oportunistas por las especialistas y aumenta la cantidad de biomasa. ➯ Regresión: Cuando se produce un cambio importante en las condiciones del medio, como una erupción volcánica, cambios en el clima o la influencia del ser humano (deforestación o contaminación del aire o del agua), la sucesión ecológica se invierte, evitando que el ecosistema alcance su clímax.
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Según el punto de partida, las sucesiones pueden ser: ➯ Sucesión primaria: Es la que ocurre en un territorio virgen donde antes no había ninguna comunidad, como en las dunas de un desierto o en una isla de nueva formación. En estas condiciones, primero aparecen especies oportunistas y con pocos requerimientos nutritivos como los líquenes, facilitando la formación de suelo fértil para que puedan empezar a crecer plantas herbáceas de pequeño tamaño. A medida que el suelo va ganando profundidad, se pueden ir estableciendo primero arbustos y después árboles de mayor tamaño, dando lugar a un bosque. Junto con la sucesión de plantas, también se establecen comunidades de animales, primero los más oportunistas, después los más especialistas, hasta alcanzar redes tróficas complejas formadas por muchas especies. ➯ Sucesión secundaria: Es la sucesión que ocurre tras una regresión. Aquí se han perdido muchas comunidades, pero se mantienen las semillas y esporas que permitirán restablecer el clímax si cesa el agente que ha causado la regresión. La sucesión secundaria será más rápida que la secundaria.
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Sucesiรณn primaria
Sucesiรณn secundaria