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LA ECOLOGÍA ANTE EL SIGLO XXIAULA SENIOR. Curso Académico 2011-2012AULA SENIOR. Curso Académico 2011 2012Departamento de Ecología e Hidrología
Tema Tema 3. La 3. La complejidad de la vida: de la célula complejidad de la vida: de la célula a los ecosistemasa los ecosistemasa los ecosistemasa los ecosistemas
Profesor: Ángel Pérez Ruzafa
4.600 m.d.a
3.000 m.d.a
1.000 m.d.a
400 m.d.a
40.000 años
Cazador-recolector 30.000 años
Aprender de la naturaleza (anticipación)Aprender de la naturaleza (anticipación)Uso de herramientasUso del fuego
Inicio del uso de energías exosomáticas
L id i t l j d d l ilib iLa vida: un sistema alejado del equilibrio
Si t1. Dependencia del medio y de las leyes de la termodinámica
Sistemasabiertos
complejoscomplejosautoorganizados que mantienen su
estructura e identidaddesorganizando el entorno (disipando energía)
con el que intercambiancon el que intercambian materia y energía
y tienen capacidad de reproducirse
Ecología: ciencia y biofísica de los eco-sistemas Ecología: ciencia y biofísica de los eco-sistemas
Sistema cerrado Sistema abierto
Flujos de materia y energía en la naturalezaFlujos de materia y energía en la naturaleza
Las leyes de la termodinámica
Primera Ley: Principio de conservación de la energía
La energía de un sistema aislado permanece constante.La energía de un sistema aislado permanece constante.
dWdUdQ Q: calor suministradoU: energía interna del sistemaW: trabajo realizado
La energía no se crea ni se destruye solo se transforma
W: trabajo realizado
La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
Experimento de Joule para demostrar la transformación d l í C d li i l t i i lde la energía. Cuando se eliminan las restricciones, la energía potencial, en forma de peso suspendido, se convierte en energía cinética de una rueda que agita el agua aislada de otras entradas o salidas de energía. El movimiento de la rueda calienta el agua gproporcionalmente a la caída del peso. (From Swenson, 1997a. Copyright 1997 JAI Press. Used by permission).
Segunda Ley de la Termodinámica: Ley de la entropía o de la irreversibilidad de los procesos macroscópicos espontáneos
Transferencia de calor
T1>T2
T1 T2
∆Q
f í
∆S = entropía = ∆Q/T
caliente frío
DondeS es la entropíaQ es la cantidad de calorT1 y T2 es la temperatura de los sistemas 1 y 2, respectivamenteT es la temperatura absoluta a la que tiene lugar el procesoy el símbolo ∆ significa incremento de
Transferencia de calor
Segunda Ley de la Termodinámica
Transferencia de calor
∆Q = Q1- Q2 = Trabajo mecánico
T1 T2
Q1 Q2
C d d f i t
motor
caldera Condensador o refrigerante
T3 T3
motor
La vida: un sistema alejado del equilibrio termodinámico
Desorganización del entorno y aumento de la entropía
Energía de alta calidadMateria altamente organizada
Energía de baja calidadMateria desorganizada
Aumento de la estructura y el orden internoy
La vida: un sistema alejado del equilibrio termodinámico
5’CpCpGp3’ 5’CpCpGp3’ PP e hν
-+
3’GpGpCpGpCpCp5’ P + P e*
Niveles de organización biológica Niveles de organización biológica
BiologíaBiosfera
gEcología
Comunidad
Ecosistema
OrganismoPoblación
Órgano
Sistema
Célula
Tejido
++uzCO2
CHlu H2S CH4
CO2 CH2OBacterias del azufre- H2S Sdel azufre
SO 2-
CO2 CH2OBacterias
sulfatorreductoras SO42-sulfatorreductoras
++ 3.500 m.a.uz en
o O2H2O Cianobacterias
lu
oxíg
eCO2 CH2O
CO2 CH2OBacterias del azufre- H2S Sdel azufre
SO 2-
CO2 CH2OBacterias
sulfatorreductoras SO42-sulfatorreductoras
+H2O
Heterótrofos
2.500 m.a.
+CO2 CH2O
Heterótrofos
uz eno O2H2O Cianobacterias
lu
oxíg
eCO2 CH2O
CO2 CH2OBacterias del azufre- H2S Sdel azufre
SO 2-
CO2 CH2OBacterias
sulfatorreductoras SO42-sulfatorreductoras
La vida: un sistema alejado del equilibrio termodinámico
Desorganización del entorno y aumento de la entropía
Energía de alta calidadMateria altamente organizada
Energía de baja calidadMateria desorganizada
Aumento de la estructura y el orden internoy
Principio de S. Mateo (Mt. 25, 29-30)
2. Tendencia al crecimiento y la proliferación
limitado por la disponibilidad de recursos y la competencia por los mismos
ener
gía Nivel teórico
de saturación o agotamiento del sistema
onve
rsió
n de
del sistema
Capacidad máxima de carga real del sistema
Tasa
de
co
Disponibilidad de recurso
[R1recurso limitante
Relación inversa entre eficiencia y abundancia de recurso
3. Evolución y “progreso” basados en independizarse lo más posible del medioposible del medio
Adquiriendo estructuras aislantes y de t i i t i t l dmantenimiento y mecanismos autorreguladores y
homeostáticos
Anticipándose a los cambios del ambiente
Captar regularidades en un mundo cambiante e impredecible
ciclos vs. catástrofes
Estrategias ecológicas r vs KTransmitirlas a la descendencia
E l ió é i
Estrategias ecológicas r vs. K
Evolución genéticaEvolución cultural
Cambioclimático
10.000climáticoFrentes
oceánicosAfloramientos
El Niño Región Biogeográfica1.000
MarMenor
Afloramientos
GiroMamíferosAves
Biogeográfica1.000
100 MenorPeces
Giro
Zooplancton Metapoblaciones
100
p
Migraciones
Metapoblaciones
Home Migraciones?
10
Migracionesverticales
Fitoplancton
-rangeg
Dispersión larvaria?1
Micromanchas
p
1 10 100 1.000 10.000
Espacio (Km)
Caída de meteorito
1.000.000
10.000.000Cambio climático/Glaciaciones
CATÁSTROFES10.000
100.000
)
100
1.000
O (a
ños
Terremotos / HuracanesInundaciones
1
10
TIE
MPO Fluctuaciones climáticas El Niño
Accidentes petroleros en GaliciaFluctuaciones climáticas estacionalesAdaptación cultural?Adaptación cultural?
0.010
0.100estacionales
Accidentes petroleros en el Mediterráneo
Día/nocheAdaptación genéticaAdaptación genética
Adaptación cultural?Adaptación cultural?
CAPACIDAD DE ANTICIPACIÓN
0.001 Mareas
indiferenciaindiferencia
3. Evolución y “progreso” basados en independizarse lo más posible del medioposible del medio
Estrategias ecológicas r vs. K
3. Evolución y “progreso” basados en independizarse lo más posible del medioposible del medio
Adquiriendo estructuras aislantes y de t i i t i t l dmantenimiento y mecanismos autorreguladores y
homeostáticos
Anticipándose a los cambios del ambiente
Captar regularidades en un mundo cambiante e impredecible
ciclos vs. catástrofes
Estrategias ecológicas r vs. K
Transmitirlas a la descendencia
E l ió é i
g g
Evolución genéticaEvolución cultural
migracionescrecimiento
Clases de edad+ +
C ases de edad -
reclutamientoreproducción -- ++
Mortalidad por pesca
-+Mortalidad natural
+ incrementos de biomasa
- pérdidas de biomasa
Metapoblaciones
reclutamiento
reproducciónMortalidad
Mortalidad natural
por pesca
migracionesg
reclutamiento
reproducciónMortalidad por pesca
Mortalidad natural
por pesca
¿Por qué hay especies diferentes?¿Por qué hay especies diferentes?
¿Por qué hay tantas especies?¿Por qué hay tantas especies?
¿Qué factores determinan el número de especies?¿Qué factores determinan el número de especies?
¿Existe un límite al número de especies?¿Existe un límite al número de especies?
¿Qué importancia tiene el que haya más o menos especies?¿Qué importancia tiene el que haya más o menos especies?
¿Por qué unas especies son más abundantes que otras?¿Por qué unas especies son más abundantes que otras?
¿Existe un patrón definido en las relaciones de abundancia entre¿Existe un patrón definido en las relaciones de abundancia entre especies?, ¿de qué depende?, ¿tiene alguna importancia?
¿Por qué hay especies diferentes?
Evolución por selección natural
Variación individualTransmisión a la descendenciaCompetencia por los recursos
Charles Darwin
Competencia por los recursosSelección de los mejor adaptados
¿hacia la mejora continua de las especies?
Aparición de nuevas especies
•Por evolución en ambientes separados•Por segregación de nichos para eludir la competencia
Alfred Russel Wallace
¿Por qué hay tantas especies?
La expansión hacia lo adyacente posible y la diferenciación de los nichos
d dd d
Eficiencia de
w wEficiencia de utilización del recurso
Especie 1 Especie 2 Especie 3
25 Nicho potencial
2020
15 Nicho efectivo15 Nicho efectivo
10
1 Límites de supervivencia
1 10 20 30 40
Humedad
Relieves adaptativos de las especies
Fuerzas de la selección natural
Plano de dos dimensiones del rango de condiciones ambientales
Riesgos de extinciónRiesgos de extinción
Organización del ecosistema Organización del ecosistema
S lSol
Productores primarios
Herbívoros
p
detritos
carnívoros
Herbívoros
Bacterias/descomponedores Carnívoros de 2º orden
carnívoros
p
Detritívoros
Carnívoros de 2º orden
Detritívoros
Ciclo de la materiaCiclo de la materia
Energía solar
pesca y marisqueo
MAR ABIERTO
viento
lluvia
fitoplancton peces pelágicossistema pelágico
migracioneslluvia
escorrentía
zooplancton
migraciones
entradas desdemar abierto
MFmf
IBsistema
ó
nutrientes
actividades humanasdragadosvertidosobras costeras
pecesbentónicos
IB
MF = macrofitobentosf i fit b t
bentónico
detritosmf = microfitobentosIB = invertebrados bentónicos
Desarrollo histórico de los ecosistemas: sucesión ecológicaDesarrollo histórico de los ecosistemas: sucesión ecológica
Estrategias en el desarrollo de los ecosistemasEstrategias en el desarrollo de los ecosistemas
La sucesión comienza cuando un área es parcial o totalmente desprovista de vegetación como consecuencia de una perturbaciónperturbación.
Desarrollo histórico de los ecosistemas: sucesión ecológicaDesarrollo histórico de los ecosistemas: sucesión ecológica
Estrategias en el desarrollo de los ecosistemas
DESARROLLO DEL ECOSISTEMA
Estrategias en el desarrollo de los ecosistemas
Patrones definidos, predecibles en ausencia de perturbaciones importantes
Estadíos juveniles(especies pioneras,
Estadíos maduros (clímax): en equilibrio con el clima regional, el
t t t fí di i(ODUM)
oportunistas y/o temporales) sustrato, topografía y condiciones hídricas locales
Desarrollo histórico de los ecosistemas: sucesión ecológicaDesarrollo histórico de los ecosistemas: sucesión ecológica
Estrategias en el desarrollo de los ecosistemasEstrategias en el desarrollo de los ecosistemas
Sucesión de especies de plantas en un campo abandonado en Carolina del
Las especies pioneras
abandonado en Carolina del Norte
consisten en diversas plantas anuales. Este estado sucesional es seguido por plantas perennesy hierbas, arbustos, árboles de madera blanda y arbustos, y finalmente árboles de madera dura y arbustos. La sucesión tarda 120 años para alcanzar la comunidad climax.
Colonización por especies i d l t l
5-15 años
(Pinus taeda) (Pinus
120 años
pioneras de plantas anuales sobre suelos desnudos y pobres en nutrientes.Ciclo de vida corto (una estación de crecimiento)
Plantas que viven varios años
(Pinus taeda), (Pinus echinata), (Pinus virginiana)
Dwight Billings (1938) Ecological Monographs 8: 437-499)
estación de crecimiento), maduración rápida, y producen numerosas semillas de pequeño tamaño.
y tienen la capacidad de reproducirse varias veces a lo largo de su ciclo de vida.
Odum y otros (años 1950): concepto funcional deterministaconcepto funcional determinista
Margalef (años 1960-1990):
E P Odum R. Margalef
Margalef (años 1960-1990): propuesta de síntesis “holista”
E. P. Odum g
Los ecosistemas en el tiempo: sucesión ecológicaLos ecosistemas en el tiempo: sucesión ecológicaEstrategias en el desarrollo de los ecosistemas
Modelo de Holling
Estrategias en el desarrollo de los ecosistemas
Modelo de Holling
Los ecosistemas en el tiempo: sucesión ecológicaLos ecosistemas en el tiempo: sucesión ecológicaEstrategias en el desarrollo de los ecosistemasEstrategias en el desarrollo de los ecosistemas
alot
enci
arg
ía p
oE
ne múltiples estados de equilibrio
estado
Naturaleza de la Ecología y su cuerpo de doctrina Naturaleza de la Ecología y su cuerpo de doctrina
Z l í Botánica
GenéticaHidrología/Oceanografía
Zoología Botánica
EcologíaFisiología
Meteorología
Hidrología/Oceanografía
BioquímicaGeología
Comportamiento
“...entre todas las disciplinas biológicas, la ecología es la más heterogénea y la que más abarca ”más heterogénea y la que más abarca. Mayr, E., 1998. Así es la Biología.Debate. Madrid.
Naturaleza de la Ecología y su cuerpo de doctrina Naturaleza de la Ecología y su cuerpo de doctrina g y pg y p
•“estudio científico de la distribución y la abundancia de los organismos” (Andrewartha, 1961)
Ecología•“estudio de la estructura y función de la
naturaleza” (Odum, 1963)
de los organismos (Andrewartha, 1961)
•“estudio científico de las interacciones que determinan la distribución y abundancia de los
organismos” (Krebs, 1972)
“Ciencia de los ecosistemas” (González Bernáldez, 1970)
“Biología de los ecosistemas” / ”Biofísica de los ecosistemas” (Margalef, 1974/1992)
“... Cuerpo de conocimiento relativo a la economía de la naturaleza - la investigación de las relaciones
(Margalef, 1974/1992)
totales del animal tanto con su ambiente orgánico como inorgánico, ...; es el estudio de todas la interrelaciones complejas a las que se refería Darwin como las condiciones de lucha por la existencia”
(Haeckel, 1870)
“una forma holística de abordar los aspectos de la naturaleza en los que aparecen implicados los seres vivos (incluido el hombre)”
Naturaleza de la Ecología y su cuerpo de doctrina Naturaleza de la Ecología y su cuerpo de doctrina g y pg y p
Ecología Ecologismo
ECOLOGISTASECÓLOGOS
“una forma holística de abordar los aspectos de la naturaleza en los que aparecen implicados los seres vivos (incluido el hombre)”que aparecen implicados los seres vivos (incluido el hombre)”
CIENCIA MOVIMIENTO SOCIAL
4.600 m.d.a
3.000 m.d.a
1.000 m.d.a
400 m.d.a
40.000 años
Cazador-recolector 30.000 años
Aprender de la naturaleza (anticipación)Aprender de la naturaleza (anticipación)Uso de herramientasUso del fuego
Inicio del uso de energías exosomáticas
4.600 m.d.a3.000 m.d.a
1.000 m.d.a400 m.d.a
40.000 años
Revolución agrícola12.000 años
Mayor capacidad de anticipación: conocimientos del clima y los astros, previsión y control de las cosechasMayor uso de energías exosomáticas (completo controlMayor uso de energías exosomáticas (completo control del fuego y el agua, sistemas de regadío, uso de animales de domésticos, de carga y tiro). Incremento del uso medio de energía por persona.g p pFuerte inversión en estructuras de mantenimiento(arados, carreteras, edificaciones, sistemas de riego)Aumento de la población por reducción de las tasas de mortalidad
Aparición de asentamientos estables (ciudades)
Crecimiento de las ciudades y explotación del entorno: aparición de gremios y trabajos no productivos desde el punto de vista biológico mantenidos a partir de los sistemas agrícolas adyacentes
Cumplimiento del principio de S. Mateo
Mayores necesidades de crecimiento y explotación del entorno:
1) Comercio (flujo lento y crecimiento neto bajo)
2) Invasiones y dominio bélico (flujo rápido y crecimiento neto l d )elevado)
Aceleración del crecimiento:
1) Competencia por los recursos (que ya no son de subsistencia) con otras potencias
2) Competencia con la naturaleza (extinción de especies y deforestaciones)
Primeros problemas ambientales de cierta magnitud
1) Áreas improductivas y abandono de cultivos2) Desertificación y erosión3) Alteraciones del paisaje4) Cambios en la biodiversidad
Hª de la Humanidad: una repetición de ciclos a distintas escalas espaciales y temporales con saltos de nivel en los flujos energéticosespaciales y temporales, con saltos de nivel en los flujos energéticos implicados
4.600 m.d.a3.000 m.d.a
1.000 m.d.a400 m.d.a
40.000 años
Revolución industrial300 años
Incremento de la disponibilidad de energías externas: uso de combustibles fósiles (carbón)Fuerte utilización de estructuras de mantenimientoFuerte utilización de estructuras de mantenimiento(máquinas de producción, transporte…)Aumento de las tasas de crecimiento urbano
Acentuación y aceleración de los procesos
A costa de:-Acelerar la desestructuración del sistema rural y productivo (emigración a las ciudades)-Acelerar la desestructuración del sistema rural y productivo (emigración a las ciudades)-Necesidad de importar recursos. Aparición de potencias coloniales (Inglaterra, Francia…)
C t í ti d l i d d i d t i li dC t í ti d l i d d i d t i li dCaracterísticas de las sociedades industrializadas:Características de las sociedades industrializadas:
Intensa producción y consumo de bienes estimuladospor la publicidad masiva y la creación de necesidades ydeseos artificiales (sociedad de consumo)deseos artificiales (sociedad de consumo)
Dependencia acrecentada de los recursos norenovables (petróleo carbón gas natural metales)renovables (petróleo, carbón, gas natural, metales)
Dependencia de materiales sintéticos difícilmented d bl / tó idegradables y/o tóxicos
Elevación de la utilización y dependencia de energíasexosomáticas y estructuras de mantenimiento ytransporte
C t í ti d l i d d i d t i li dC t í ti d l i d d i d t i li dCaracterísticas de las sociedades industrializadas:Características de las sociedades industrializadas:
Intensa producción y consumo de bienes estimuladospor la publicidad masiva y la creación de necesidades ydeseos artificiales (sociedad de consumo)deseos artificiales (sociedad de consumo)
Dependencia acrecentada de los recursos norenovables (petróleo carbón gas natural metales)renovables (petróleo, carbón, gas natural, metales)
Dependencia de materiales sintéticos difícilmented d bl / tó idegradables y/o tóxicos
Elevación de la utilización y dependencia de energíasexosomáticas y estructuras de mantenimiento ytransporte
Países desarrollados Países en desarrolloPaíses desarrollados Países en desarrollo
Consumidores de recursos Productores de recursos naturales
endeudamiento ??
Uso medio diario de energía por persona (Kcal/persona*día)Uso medio diario de energía por persona (Kcal/persona*día)
5000
2000
S i d d dSociedades primitivas
20000
12000Sociedades agrícolas incipientes
Sociedades de cazadores-recolectores
125000
60000
20000
Países con industria incipiente
Sociedades agrícolas avanzadas
230000125000
Sociedad Moderna Industrial (EEUU)
Otras naciones desarrolladas
0 50000 100000 150000 200000 250000
Industrial (EEUU)
La falta de planificación y la necesidad de aumentar la producción llevan a:
1) C i i t b l t á fé til1) Crecimiento urbano en los terrenos más fértiles2) Deforestación para creación de tierras de cultivo
(necesidad de abonos)3) Uso indiscriminado de abonos y plaguicidas
Aparición de nuevas consecuencias ambientales con escalas i t l t d l i iespaciotemporales que superan todas las previsiones:
Nivel teórico de
ener
gía saturación o
agotamiento del sistema
rsió
n de
e
Capacidad máxima de carga real del sistema
e co
nver
carga real del sistema
Tasa
de
Disponibilidad de recurso
[R1recurso limitante de recurso
Escenarios futurosD b i i t
ergí
a
futurosDescubrimiento y aprovechamiento de nuevas fuentes de energía
ón d
e en
e
Empleo de combustibles
fósiles
conv
ersi
óTa
sa d
e c
Agotamiento de las reservas de petróleo
T
tiEmpleo de la madera
tiempocomo fuente de energía