CIRCULACIÓN DE MATERÍA Y ENERGÍA

EN LA BIOSFERA

CONCEPTO DE ECOLOGÍA Y ECOSISTEMA

Biosfera: Es el conjunto formado por todos los seres vivos que habitan la tierra. Ecosfera: es el conjunto formado por todos los ecosistemas de la tierra, o sea, es el gran ecosistema planetario.

Ecosistema: Es un sistema natural integrado por componentes vivos y no vivos que interactúan entre sí.

(Componentes bióticos + componentes abióticos)

Biocenosis: Comunidad de los seres vivos (componentes bióticos) que componen un ecosistema. Biotopo: Es el ambiente físico y químico donde se desarrolla un ecosistema.

Bioma: Diferentes ecosistemas que hay en la Tierra.

RELACIONES TRÓFICAS Mecanismo de transferencia energética de unos

organismo a otros en forma de alimento.

Son relaciones de alimentación que se representan mediante cadenas o redes tróficas.

1º nivel trófico. Transforman la materia inorgánica en orgánica mediante la energía solar (fotosíntesis) o la energía liberada en reacciones de oxidación (quimiosíntesis)

Productores

Energía luminosa Organismos fotosintéticos

Organismos quimiosintéticos

Materia orgánica

Mucha energía química

Materia inorgánica

Poca energía química

Energía química

Compuestos inorgánicos

reducidos

Compuestos inorgánicos

oxidados

Parte de la materia orgánica sintetizada, es consumida directamente en el proceso de la respiración celular. El resto se almacena en forma de tejidos y puede ser transferida a los siguientes niveles tróficos.

PRODUCTORES H2O + CO2

Pigmentos fotosintéticos

Energía solar +

Materia inorgánica

Materia orgánica propia

(Glucosa otras moléculas)

FOTOSÍNTESIS (O QUIMIOSÍNTESIS)

+ O2

Crecimiento y reparación celular (Reacciones químicas de síntesis que

consumen energía)

+

ANABOLISMO CATABOLISMO

Obtención energía (Respiración celular)

Movimiento Calor Reacciones metabólicas

Energía química almacenada

Respiración y fermentaciones

Energía para realizar otros procesos metabólicos:

reproducción, crecimiento…

Energía degradada

Consumidores Organismos heterótrofos que utilizan la materia

orgánica ya formada.

Consumidor cuaternario

Consumidor terciario

Consumidor secundario

Consumidor primario

Productor

Herbívoros: consumidores primarios que se alimentan de los productores. Carnívoros: Se alimentan de los herbívoros. Supercarnívoros

CONSUMIDORES Alimento (Materia orgánica)

Materia orgánica propia

Digestión y otras transformaciones (Componentes sencillos alimento)

Alimento no digerido (Excrementos )

Crecimiento y reparación celular (Reacciones químicas de síntesis que

consumen energía)

+

ANABOLISMO CATABOLISMO

Obtención energía (Respiración celular)

Movimiento Calor Reacciones metabólicas

Fotosíntesis Se produce en los cloroplastos y su reacción global es:

6 CO2 + 6 H2O + Energía luminosa C6H12O6 + 6 O2

La energía luminosa es captada por la clorofila de las plantas y utilizada para generar moléculas de ATP y NADPH (Fase luminosa). En una segunda fase la energía química contenida en el ATP y el NADPH es utilizada para reducir moléculas de CO2 hasta gliceraldehido, a partir del cual se sintetizan las distintas moléculas orgánicas, principalmente glucosa. Con la glucosa se forma almidón, celulosa y otros carbohidratos esenciales en la constitución de las plantas.

Respiración Se realiza en las mitocondrias con una reacción global:

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + Energía

En la respiración se oxidan las moléculas orgánicas con O2 del aire para obtener la energía necesaria para los procesos vitales. La energía desprendida en esta reacción queda almacenada en ATP y NADH que la célula puede utilizar para cualquier proceso en el que se necesite energía.

Descomponedores

Transforman la materia orgánica en materia mineral: Bacterias y hongos.

Productores

Consumidores

Descomponedores

Tejidos muertos

Cadenas y redes tróficas

Otros: Omnívoros, necrófagos, saprofitos, detritívoros...

Red trófica

CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

El ciclo de materia tiende a ser cerrado

La materia orgánica se recicla por acción de los descomponedores en sales minerales que sirven de nutrientes para los productores: CICLO DE MATERIA.

La energía solar entra mediante la fotosíntesis en la cadena trófica y pasa de unos eslabones a otros mediante un flujo abierto y unidireccional: FLUJO DE ENERGÍA. El flujo va disminuyendo al degradarse parte de la energía por la respiración y las pérdidas por calor.

El flujo de energía es abierto

Parámetros tróficos

BIOMASA Cantidad en peso de materia orgánica (viva o muerta) de algún nivel trófico o ecosistema. Se expresa en unidades de peso o de energía y puede estar referida a unidades de superficie o volumen (g C/cm2 , kg C/m2 , tm C/ha).

Es una medida del almacenamiento de la energía solar en forma de energía química.

PRODUCCIÓN Se refiere al incremento de biomasa. Es una medida del flujo de energía que recorre el ecosistema por unidad de superficie y tiempo. Producción primaria: es la cantidad de energía

luminosa transformada en materia orgánica (biomasa) por los productores.

Producción secundaria: Se refiere a la biomasa producida por los consumidores.

Parámetros tróficos

Producción (P) = Biomasa / Tiempo

Parámetros tróficos Producción bruta:

Es el total de energía fijada por unidad de tiempo en un nivel trófico.

Producción neta:

Es la energía almacenada en un nivel trófico. Es el aumento de biomasa por unidad de tiempo. O sea la energía que queda a disposición del siguiente nivel trófico después de descontar la respiración.

Producción neta (PN) = Producción bruta (PB) ─ Respiración

PRODUCTORES H2O + CO2

Pigmentos fotosintéticos

Energía solar +

Materia inorgánica

Materia orgánica propia

(Glucosa otras moléculas) (PRODUCCIÓN PRIMARIA BRUTA)

FOTOSÍNTESIS (O QUIMIOSÍNTESIS) (PRODUCCIÓN PRIMARIA)

+ O2

Crecimiento y reparación celular (Reacciones químicas de síntesis que

consumen energía)

(PRODUCCIÓN PRIMARIA NETA)

+

ANABOLISMO CATABOLISMO

Obtención energía (Respiración celular)

Movimiento Calor Reacciones metabólicas

(CONSUMO ENERGÉTICO)

Bosque : Gran cantidad de productores primarios: Producción Primaria bruta alta. Producción neta baja. Ya que los organismos consumen mucho en la respiración para mantener sus estructuras.

Pradera: Predominancia de plantas anuales que sufren intensa depredación: Producción primaria bruta baja. Producción neta proporcionalmente alta. El gasto en respiración es bajo debido a que no tiene que mantener estructuras complejas.

CONSUMIDORES Alimento (Materia orgánica)

Materia orgánica propia (PRODUCCIÓN SECUNDARIA BRUTA )

Digestión y otras transformaciones (Componentes sencillos alimento)

(PRODUCCIÓN SECUNDARIA ) Alimento no digerido

(Excrementos )

Crecimiento y reparación celular (Reacciones químicas de síntesis que consumen

energía) (PRODUCCIÓN SECUNDARIA NETA)

+

ANABOLISMO CATABOLISMO

Obtención energía (Respiración celular)

Movimiento Calor Reacciones metabólicas

(CONSUMO ENERGÉTICO)

REGLA DEL 10%: La energía que pasa de un eslabón a otro es aproximadamente el 10% de la acumulada en él.

Parámetros tróficos PRODUCTIVIDAD: Relación que existe entre producción neta y biomasa. En un índice de la velocidad de renovación del ecosistema o tasa de renovación. Varia entre 0 y 1.

TIEMPO DE RENOVACIÓN: Tiempo que tarda en renovarse un nivel trófico.

Productividad = (Producción neta / Biomasa) × 100

Tiempo de renovación = Biomasa / Producción neta (días, años…)

Parámetros tróficos

EFICIENCIA: cociente entre la energía fijada en un nivel trófico o ecosistema y la energía que llega a ese ecosistema o nivel, o lo que es lo mismo: cociente salidas/entradas. Productores: Energía asimilada (Biomasa)/Energía

incidente (Aprox 1-3%) Consumidores: PN/alimento total ingerido. PN/PB(Energía asimilada) Calcula las pérdidas por

respiración (Vegetales >50% de eficiencia) PN/PN (nivel inferior) x 100

Eficiencia = PN del nivel n / PN del nivel n-1 × 100

EFICIENCIA ECOLÓGICA Eficiencia de la PPB

(Ea/Ei) % dedicado a

Respiración (Pn/Pb) Comunidades de fitoplancton

< 0,5% 10 - 40%

Plantas acuáticas enraizadas y algas de poca profundidad

> 0,5%

Bosques 2 - 3'5%

50 - 75%

Praderas y comunidades herbáceas

1 - 2%

40 - 50%

Cosechas < 1,5%

40 - 50%

La eficiencia sirve para valorar los ecosistemas explotados por el hombre.

PIRAMIDES ECOLÓGICAS

Pirámides de números: Representa el nº de individuos en un nivel trófico. Pirámides de biomasa: Representa la biomasa acumulada en ese nivel. En sistemas acuáticos la base puede ser más pequeña que el siguiente escalón. Pirámides de energía: Sigue la regla del 10%, la base representa la cantidad de energía en ese nivel.

Pirámides ecológicas

Pirámides de energía Pirámides de números

Pirámides de biomasa

CLIC SOBRE LAS PIRÁMIDES PARA AMPLIAR

Representa el nº de individuos en un nivel trófico.

Pirámide de números

Consumidores secundarios: 3 individuos/km2

Consumidores primarios: 2,5 × 104 individuos/km2

Productores: 3,7 × 105 individuos/km2

VOLVER

Pirámide de números

Consumidores secundarios: 8 individuos

Consumidores primarios: 92 individuos

Productores: 1 individuo

VOLVER

Pirámide de biomasa

Representa la biomasa acumulada en ese nivel.

Consumidores secundarios: 12 g peso seco/m2

Consumidores primarios: 43 g peso seco/m2

Productores: 950 g peso seco/m2

Consumidores terciarios: 1 g peso seco/m2

VOLVER

En sistemas acuáticos la base puede ser más pequeña que el siguiente escalón.

Consumidores primarios: 21 g peso seco/m2

Productores: 5 g peso seco/m2

Pirámide de biomasa VOLVER

Pirámide de energía VOLVER

Consumidores terciarios: 1,9 × 107 kcal/km2 · año

Consumidores secundarios: 5 × 108 kcal/km2 · año

Consumidores primarios: 7 × 109 kcal/km2 · año

Productores: 5 × 1010 kcal/km2 · año

Ej. PAU

FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA

LEY DEL MÍNIMO: 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.

Temperatura Agua (humedad) Nutrientes (nitrógeno y fósforo) Luz Concentración de CO2 http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/Fisiologia_celular/

contenidos11.htm

Un aumento incrementa la producción, pero si aumenta

en exceso decrece bruscamente.

TEMPERATURA

Niveles altos de CO2 aumentan la productividad como ocurre en invernaderos.

HUMEDAD Y CONCENTRACIÓN DE CO2

Si el nivel de CO2 es bajo cae la fotosíntesis, debido a que la enzima RuBisCO promueve la fotorrespiración.

[CO2] [CO2]

EL AGUA permite el crecimiento, al servir de vehículo a las sales minerales y sin ella los estomas se cierran e impiden el paso de CO2.

Según como tenga lugar este proceso existen diversos tipos de plantas : C3 (normales),p.ej. Trigo, patata, arroz, tomate judías.

C4 (soportan bajos niveles CO2),p.ej. Maíz, caña de azúcar, sorgo, mijo.

LUZ Una mayor cantidad de luz provoca un aumento de la

productividad hasta cierto nivel, sobrepasado el cual no aumenta la productividad.

NUTRIENTES Nitrógeno y fósforo:

Estos nutrientes son factores limitantes muy importantes. La riqueza y productividad de los ecosistemas dependen de los mecanismos de reciclado de los nutrientes.

En ecosistemas marinos son mucho más condicionantes debido a la dificultad para el reciclado.

Ciclos Biogeoquímicos

Atmósfera

Hidrosfera

Corteza terrestre

Biosfera

Ciclos biogeoquímicos

Son los caminos realizados por la materia, cuando escapan de la biosfera y pasan por la atmósfera, hidrosfera y litosfera. Tienden a ser cerrados.

Las actividades humanas ocasionan la apertura y aceleración de los mismos. Lo que contraviene el principio de sostenibilidad de los ecosistemas:

reciclar al máximo la materia para obtener nutrientes y que no se produzcan desechos.

CICLO DEL OXÍGENO

Ciclo del oxígeno Atmósfera

Hidrosfera Corteza

Ozono (O3)

Oxígeno molecular

Óxidos gaseosos (COx, SOx, NOx)

Radiación ultravioleta

Forma parte de las moléculas orgánicas (biomoléculas) y del agua

Oxígeno molecular disuelto (O2) Agua (H2O) Hidroxilo (OH-) Aniones oxácidos (SO4

-, NO3-, CO3

2-)

Óxidos metálicos Fe2O3 y otros) Oxisales (CaSO4 y otros) Silicatos (minerales de arcilla y otros)

Meteorización química (oxidación)

Escape a la atmósfera

Disolución Fotosíntesis

Respiración D

esco

mpo

sici

ón

anae

robi

a

Respiración

Fotosíntesis Dis

oluc

ión

de

sale

s so

lubl

es

Biosfera

CICLO DEL CARBONO

Ciclo biológico: Fotosíntesis que fija carbono y respiración que lo devuelve.

Ciclo biogeoquímico: Atmósfera e hidrosfera intercambian CO2 por difusión. Paso del CO2 de la atmósfera a la litosfera: el CO2

se disuelve en agua que ataca rocas (carbonatadas y silicatadas) formando compuestos que irán al mar.

Retorno del CO2 a la atmósfera mediante erupciones.

Sumideros fósiles.

CICLO DEL CARBONO CO2 ATMOSFÉRICO

PRODUCTORES CONSUMIDORES

Restos Restos

RESP

IRACI

ÓN y

DES

COM

POSI

CIÓN

CARBÓN Y PETRÓLEO

Combustión

CO2 disuelto en HIDROSFERA Incendios

Vulcanismo

DESCOMPONEDORES

Caparazones y esqueletos

ROCAS CARBONATADAS

Fija

ción

bioqu

ímica

Equilibrio

Disolución rocas carbonatadas

Met

eoriz

ació

n qu

ímic

a

LITOSFERA: Mayor depósito terrestre de carbono.

CICLO DEL CARBONO CO2 ATMOSFÉRICO

PRODUCTORES CONSUMIDORES

Restos Restos

RESP

IRACI

ÓN y

DES

COM

POSI

CIÓN

CARBÓN Y PETRÓLEO

Combustión

CO2 disuelto en HIDROSFERA Incendios

Vulcanismo

DESCOMPONEDORES

Caparazones y esqueletos

ROCAS CARBONATADAS

Fija

ción

bioqu

ímica

Equilibrio

Dis

oluc

ión

roca

s ca

rbon

atad

as

Met

eoriz

ació

n qu

ímic

a

LITOSFERA: Mayor depósito terrestre de carbono.

CICLO DEL CARBONO Atmósfera

Hidrosfera Corteza

Metano (CH4)

Clorofluorocarbonos

Dióxido de carbono (CO2)

Oxidación

Formando parte de biomoléculas y de exoesqueletos y conchas de seres vivos

CO2 disuelto en forma de ion bicarbonato (HCO3

-) e ion carbonato (CO3

-)

CH4 acumulado en sedimentos

Magmas, rocas calizas, depósitos de combustibles fósiles y materia orgánica muerta en el suelo

Disolución Difusión a la atmósfera

Actividad volcánica

Meteorización química (carbonatación)

Fotosíntesis

Respiración y combustión

Res

pira

ción

y a

ctiv

idad

de

bac

teria

s m

etan

ógen

as

Fotosíntesis D

isol

ució

n

de c

arbo

nato

s

Precipitación

Biosfera

CICLO DEL NITRÓGENO

El N se encuentra en grandes cantidades en forma de gas en la atmosfera, pero es inaccesible para la mayoría de seres vivos. Es después del P el principal condicionante de la producción de biomasa. Es imprescindible para la construcción de aminoácidos y ácidos nucleicos.

Ciclo del nitrógeno El ciclo consta de 4 procesos:

La fijación (N2 NOx) se puede realizar en la atmósfera,

pero la mayor parte la realizan microoganismos. La amonificación (NH3) la realizan bacterias que

producen amoniaco proveniente de la descomposición de seres vivos.

La nitrificación la realizan bacterias que transforman el amoniaco en primer lugar en nitritos NO2 y después en nitratos NO3.

La desnitrificación la realizan bacterias anaeróbicas que descomponen los nitritos en N2.

N2 ATMOSFÉRICO

VEGETALES CONSUMIDORES

Restos orgánicos

DESCOMPONEDORES NO3-

(Nitratos)

NH4+

(Amonio)

Amonificación (Bact. Quimiorganotrofas)

NO2-

(Nitritos) Nitrosación

(Nitrosomonas sp.)

LEGUMINOSAS (Rhizobium sp.)

Fijación simbiótica D

esni

trif

icac

ión

(hon

gos

y Ps

eudo

mon

as…)

Vulcanismo

ACTIVIDAD HUMANA: Combustiones, Fijación industrial, uso fertilizantes

N2 ATMOSFÉRICO

VEGETALES CONSUMIDORES

Restos orgánicos

DESCOMPONEDORES NO3-

(Nitratos)

NH4+

(Amonio)

Amonificación (Bact. Quimiorganotrofas)

NO2-

(Nitritos) Nitrosación

(Nitrosomonas sp.)

LEGUMINOSAS (Rhizobium sp.)

Fijación simbiótica

Des

nitr

ific

ació

n

(hon

gos

y Ps

eudo

mon

as…)

Vulcanismo

ACTIVIDAD HUMANA: Combustiones, Fijación industrial, uso fertilizantes

Ciclo del nitrógeno

Hidrosfera Corteza Biosfera

Biomoléculas (ácidos nucleicos y aminoácidos)

Disolución de óxidos en el agua de

las precipitaciones

Desnitrificación bacteriana y putrefacción

Iones solubles: nitrato (NO3

-), nitrito (NO2

-), amonio (NH4

+). Materia orgánica Nitratos (NaNO3)

(evaporitas)

Óxidos (NOx)

Amoniaco (NH3)

Nitrógeno molecular (N2)

Oxidación por las descargas eléctricas (rayos)

Escape como residuo

de actividades humanas

Actividad volcánica

Met

eoriz

ació

n (d

isol

ució

n)

Precipitación

Put

refa

cció

n y

apor

te

de o

rigen

ant

rópi

co

Asimilación

Meteorización (disolución)

Fijación por bacterias y cianobacterias

CICLO DEL FÓSFORO

La reserva principal de fósforo lo constituyen los fosfatos (litosfera -> lento retorno). Existe mucho más N que P en la Tierra, pero los organismos necesitamos tener más P que N, por ello es el principal factor limitante para la producción de biomasa.

CICLO DEL FÓSFORO

Hidrosfera

Corteza Biosfera

Extracción para obtener fertilizantes

ATP Biomoléculas Esqueletos

PO43-

HPO42-

H2PO4-

Rocas volcánicas Rocas sedimentarias (fosforitas)

Absorción por parte de los productores

Descomposición

Precipitación

Meteorización

CICLO DE AZUFRE

El S se encuentra mayoritariamente en la hidrosfera en forma de sulfatos. Las plantas y microorganismos pueden incorporar directamente como sulfato. El sulfuro de hidrogeno puede generar lluvias ácidas.

CICLO DEL AZUFRE

Atmósfera

Hidrosfera Corteza Biosfera

Sulfuro de hidrógeno (H2S)

Óxidos gaseosos (SOx)

Oxidación

Actividad humana Biomoléculas

Sulfuro de hidrógeno (H2S) Aniones oxácidos (SO2

2-, SO32-, SO4

2-) Volcanes Yeso (CaSO4 · 2 H2O)

Combustión de combustibles fósiles, principalmente carbón rico en azufre Actividad volcánica

Disolución con el agua de lluvia

Escape a la atmósfera

Des

com

posi

ción

y p

rodu

ctos

de

exc

reci

ón. D

esec

hos

de

min

ería

de

carb

ón

Fotosíntesis del azufre

Met

eoriz

ació

n qu

ímic

a

(dis

oluc

ión)

Precipitación

Efecto de la deforestación sobre los ciclos de la materia