TEMA 3. A BIOSFERA (I) ECOSISTEMAS. FLUXO DE MATERIA E ENERXÍA

Tódolos seres vivos que habitan e desenvolven as súas funcións na Terra conforman a chamada biosfera. Por suposto que non se trata simplemente dunha suma de seres senón que constitúen o elemento vivo dun sistema complexo e organizado con calidades propias: a ecosfera. 1 OS ECOSISTEMAS Enténdese por ecosistema un sistema formado po un conxunto de seres vivos que se relacionan entre si e co medio inerte. O compoñente vivo do ecosistema recibe o nome de biocenose, mentres que tódolos elementos inertes forman o biótopo. 1.1 O biótopo Os principais compoñentes do biótopo son o medio e as súas propiedades físico-químicas denominadas factores ambientais, tales como: -A luz. Condiciona a proliferación dos organismos fotosintéticos. -A auga. É imprescindible para tódolos seres vivos. -A temperatura media e os seus cambios. -A salinidade da auga. -O pH da auga ou do solo.

A grandes trazos podemos distinguir dous tipos de medio segundo as súas grandes diferenzas nos seus factores: acuático e terrestre. 1.2 A biocenose A biocenose ou comunidade biolóxica dun ecosistema está constituída por diferentes especies (denominadas poboacións) que establecen relacións entre elas.

A descrición da comunidade biolóxica implica en primeiro lugar a elaboración do censo de poboacións que a constitúen, así como as características de cada unha. Ademais dos parámetros cuantificables dunha poboación (individuos, densidade, biomasa), existen outras características que tamén deben terse en conta.

Por suposto que cada poboación non é independente do seu entorno, polo cada unha precisa dunhas condicións específicas ambientais que denominamos hábitat. Este inclúe todos aqueles factores ou variables que permiten o desenvolvemento da poboación nese ecosistema.

Os factores limitantes son os factores ambientais que condicionan en maior medida a capacidade dunha poboación para se desenvolver normalmente. Segundo a tolerancia aos factores ambientais, as especies pódense clasificar como:

Especies eurioicas (eurys: ancho): teñen un intervalo de

tolerancia moi amplo para un ou varios factores ambientais.

Especies estenoicas (stenós: estreito) teñen un intervalo de

tolerancia estreito para un ou varios factores ambientais.

Por outra parte, toda poboación necesita alimento, espazo vital, lugar de reprodución, etc., e todos estes son recursos limitados no ecosistema polos que se ve obrigada a interactuar e relacionarse coas demais que a rodean; constitúese entón o nicho ecolóxico desa especie. Así, o corvo mariño cristado aliméntase de sardiñas, xurelos e angulas; captura ese alimento a unha profundidade de ata 16 m., especialmente en augas movidas; constrúe os niños na parte baixa dos acantilados, con saíntes estreitos. Estas características, xunto con outras máis conforman o chamado nicho ecolóxico do corvo mariño cristado. Podemos entón definir o nicho ecolóxico como o conxunto de relacións co ambiente, conexións tróficas e funcións ecolóxicas que definen o papel desempeñado por unha especie no ecosistema.

2

2 CIRCULACIÓN DE MATERIA E ENERXÍA NO ECOSISTEMA O funcionamento dos ecosistemas obriga a unha continua circulación de materia e enerxía entre os seus compoñentes. O principal motor desta circulación é a necesidade que teñen os seres vivos de nutrírense, establecendo así relacións alimentarias ou tróficas entre eles. 2.1 Relacións tróficas Representan o mecanismo de transferencia de materia e enerxía duns organismos a outros en forma de alimento. Segundo o papel ecolóxico que desenvolvan estas especies podémolas clasificar en diferentes niveis tróficos. 2.1.1 Niveis tróficos Son os seguintes: Produtores. Constitúen o primeiro nivel trófico. O súa

función e xerar a materia orgánica que vai ser utilizada polos demais seres vivos. Para iso os produtores deben ser organismos autótrofos, capaces de orixinar nova materia orgánica a partir de substancias inorgánicas. Poden ser seres fotosintéticos (a inmensa maioría) ou quimiosintéticos (caso dalgunhas bacterias) segundo a enerxía a obteñan da luz ou de reaccións químicas oxidantes, respectivamente.

Consumidores. Reciben este nome os restantes niveis tróficos que por seren heterótrofos o seu papel limítase a utilizar a materia orgánica que circula polo ecosistema. Consumidores primarios. Obteñen o seu alimento das plantas (os chamados herbívoros)

ou en xeral dos organismos produtores. Consumidores secundarios. Son seres carnívoros que se alimentan dos consumidores

primarios. Consumidores terciarios, cuaternarios, etc. Constitúenos carnívoros que se alimentan

doutros carnívoros. Entre os organismos consumidores existe unha ampla variedade de grupos que se distinguen pola composición da súa dieta. Así temos os seres omnívoros que se alimentan tanto de materia vexetal coma animal, os preeiros e necrófagos que se alimentan de cadáveres, os detritívoros que consomen toda unha gradación de restos orgánicos, etc.

Descompoñedores. Recibe este nome un grupo de organismos que se encargan da reciclaxe dos nutrientes. Podemos distinguir dous grupos: Transformadores. Son organismos saprófitos, en concreto certas bacterias e fungos.

Efectúan unhas transformacións que dan como resultado final moléculas sinxelas, tanto orgánicas coma inorgánicas.

Mineralizadores. Pertencen a este grupo algunhas bacterias quimiosintéticas. Estes seres, mediante a oxidación de determinados compostos (amoníaco, nitritos, sales ferrosas, sulfuros, etc.) xeran outras sales inorgánicas que liberan ó medio quedando a disposición dos produtores e pechando deste xeito o ciclo da materia.

2.1.2 Representación das relacións tróficas As relacións tróficas poden representarse por distintos mecanismos, como: Cadeas tróficas. Unha cadea alimentaria está constituída por diversos niveis tróficos, e o

organismo de cada nivel aliméntase do organismo do nivel inmediatamente anterior (as frechas indican o sentido da circulación da materia).

trevo → bolboreta → lavandeira Redes tróficas. Unha especie dun nivel trófico normalmente aliméntase de máis dun ser vivo e

serve como alimento tamén a máis dunha especie. Representando as distintas conexións tróficas que poden darse nunha porción de ecosistema obtense unha figura complexa con aspecto de rede.

1ª Lei da termodinámica:

Calquera transformación ou

transferencia de enerxía ten

balance neto cero.

2ª Lei da termodinámica:

Todo proceso de

transformación de enerxía

implica una degradación de

parte da mesma en forma de

calor disperso.

3

2.2 O FLUXO DE ENERXÍA E O CICLO DA MATERIA A circulación e transferencia da enerxía é unidireccional e aberta. Neste fluxo, por suposto que a enerxía non se crea nin destrúe ó longo da cadea, senón que se vai xerando unha parte inevitable de calor que se disipa. Como resultado desta diminución no fluxo de enerxía, o número de elos da cadea ten que ser limitado.

A materia tende a reciclarse no ecosistema, circulando dende os produtores ata os consumidores, e de todos eles chega ós descompoñedores que sintetizan compostos inorgánicos utilizables polos produtores. É dicir, a circulación da materia nun ecosistema tende a ser pechada. De todas maneiras existen algunhas perdas de nutrientes por gasificación, lixiviado, formación de combustibles fósiles, etc. 2.2.1 Parámetros tróficos Denomínanse parámetros tróficos ás medidas utilizadas para avaliar tanto a rendibilidade de cada nivel trófico coma a do ecosistema completo. Biomasa A biomasa é a cantidade en peso de materia orgánica viva ou morta (necromasa) de calquera nivel trófico ou de calquera ecosistema.

4

A biomasa mídese en unidades de masa ou ben no seu equivalente en enerxía, con respecto a unha superficie ou volume. É frecuente expresala deste xeito: gC/cm2, KgC/m2, TmC/Ha, etc (C representa a materia orgánica). Produción Este concepto representa a cantidade de enerxía por unidade de tempo que flúe ó través de cada nivel trófico. Pódese cuantificar das seguintes formas:

o Produción primaria bruta. É a enerxía total fixada polos organismos autótrofos. Será utilizada polo nivel trófico para desenvolver a súa actividade vital xunto co excedente que será incorporado a súa propia materia corporal.

o Produción secundaria bruta. É a total correspondente ó resto dos niveis tróficos. o Produción neta (primaria ou secundaria). É a enerxía que pasa a formar parte da

materia orgánica que constitúe o propio nivel trófico. Potencialmente está dispoñible para ser transferida ós seguintes niveis tróficos. Representa o aumento de biomasa por unidade de tempo e obtense restando da produción bruta a enerxía consumida no proceso respiratorio de automantemento.

Sóese expresar en gC/m2.día, kcal/ha. ano, etc. Por outra parte, a norma xeral é que aproximadamente só o 10 por 100 da enerxía dispoñible dun nivel pasa a incorporarse ó seguinte nivel trófico: Regra do 10%.

Produtividade A produtividade é a relación que existe entre a produción e a biomasa. Serve para indicar a riqueza dun ecosistema ou nivel trófico, xa que representa a velocidade coa que se renova a biomasa, polo que recibe tamén o nome de taxa de renovación.

Tempo de renovación É o período que tarda en renovarse un nivel trófico ou un sistema. Mídese en unidades de tempo: días, anos, etc.

Eficiencia Esta noción representa o rendemento dun nivel trófico mediante a relación saídas/entradas. Podemos valorala dende distintos puntos de vista:

o A eficiencia dos produtores calcúlase mediante a relación enerxía asimilada/enerxía incidente, que acada valores inferiores ó 2%. Este valor corresponde só á produción bruta.

o Se calculamos o cociente Pn/Pb, estaremos medindo a cantidade de enerxía incorporada a cada nivel respecto do total asimilado, e neste caso estaremos constatando as perdas respiratorias, que referidas ó caso do fitoplancto son do 10 ó 40 por 100, rebordando o 50 por 100 na vexetación terrestre.

2.2.2 Pirámides tróficas

Represéntanse mediante unha serie de barras horizontais superpostas que teñen unha altura constante e unha lonxitude proporcional ó parámetro medido. Tipos de pirámides tróficas:

o Pirámides de enerxía. Representan o contido enerxético por unidade de tempo correspondente a cada nivel. A súa forma e sempre dunha verdadeira pirámide, xa que deben cumprirse os principios da termodinámica.

o Pirámides de biomasa. Están elaboradas en función da biomasa acumulada en cada nivel. Poden presentarse en forma dunha pirámide real ou ben de pirámide invertida.

Pn = Pb - R

Pv = Pn / B

Tr = B / Pn

5

o Pirámides de número de individuos. Realízanse mediante o reconto do número de individuos que constitúen cada nivel. É frecuente que se presenten en forma invertida.

2.3 Factores limitantes da produción primaria

2.3.1 A luz É imprescindible para o crecemento vexetal. Tanto a intensidade da luz como incluso a gama (lonxitude de onda) condicionan a capacidade fotosintética dos medios acuáticos pois a auga filtra en profundidade a luz incidente. Nos ecosistemas terrestres a intensidade luminosa non adoita ser limitante salvo en aqueles ecosistemas de selva onde os estratos inferiores da vexetación reciben a escasa luz que non foi retida polos niveles superiores. 2.3.2 A temperatura O aumento de temperatura vai ligado nun principio a un aumento proporcional da produción, ata certo límite no que se produce la degradación dos compoñentes celulares. Non obstante, a temperatura tamén orixina un aumento na respiración celular, e polo tanto unha menor produción neta. 2.3.3 A auga Ademais de ser imprescindible para as funcións vitais xerais das células, a auga constitúe un compoñente principal da fotosíntese, polo que constitúe un factor limitante en certos ecosistemas terrestres. Por debaixo de certo cantidade, os estomas das follas péchanse para impedir a perda de auga, pero tamén reducen o intercambio gasoso e a incorporación de CO2. 2.3.4 Os nutrientes O reciclado dos nutrientes por parte dos organismos descompoñedores vese dificultado pola distancia entre o lugar de produción de materia orgánica e o de degradación da mesma. O aumento desa distancia tradúcese nunha necesidade de enerxía externa maior e no aumento do tempo de reciclado.

No océano a fotosíntese está condicionada pola presenza de luz, realizándose nos primeiros metros, mentres que a degradación da materia orgánica ocorre nos fondos. A gran distancia superficie/fondo dificulta o retorno dos nutrientes, limitando a produción primaria (tal como ocorre especialmente co P e o N). En certas zonas, denominadas de afloramento, a auga ascende desde o fondo arrastrando os nutrientes que fertilizan o fitoplancto. As plataformas costeiras son tamén produtivas pois a ondada axita os fondos e existen, ademais, aportes continentais de nutrientes que foron transportados polas augas continentais.

6

Nos ecosistemas terrestres requírese menor gasto de enerxías externas para a reciclaxe, xa que as distancias entre produción e descomposición son menores.

3 OS CICLOS BIOXEOQUÍMICOS Os ciclos bioxeoquímicos comprenden os diferentes camiños de circulación da materia entre a biosfera e os demais subsistemas terrestres (atmosfera, hidrosfera, solo, xeosfera). Tales ciclos están axustados por diversas realimentacións e neles atópanse implicados, entre outros, o ciclo da auga, o ciclo xeolóxico e moitos procesos vitais como a fotosíntese ou a respiración. O tempo de permanencia dos elementos nos distintos medios é moi variable, denominándose almacén ou reserva aquel lugar onde dita permanencia é máxima.

3.1 O ciclo do carbono O carbono presenta a súa reserva principal na atmosfera en forma de CO2. Os seres

fotosintéticos captan este dióxido de carbono que é devolto a ela a través do proceso respiratorio realizado por animais e plantas. O CO2 atmosférico está en equilibrio co da hidrosfera e, dentro dela, existen equilibrios coas formas bicarbonato e carbonato. Parte do carbonato é empregado polos seres vivos para a fabricación de cunchas calcarias, mentres que outra parte precipita dando lugar a rochas calcarias, que constitúen unha importante reserva de carbono. O enterramento de restos de seres vivos en condicións anaerobias dará lugar ós depósitos de carbón e petróleo. Cando o ser humano rescata os combustibles fósiles para a obtención de enerxía, libera novamente CO2 á atmosfera (tendo en conta ademais que se trata dun gas de efecto invernadoiro).

3.2 Ciclo do nitróxeno

Tamén atopa a súa principal reserva na atmosfera. Non obstante trátase dun gas pouco reactivo, polo que a súa incorporación ós ecosistemas faise lentamente e so mediante organismos moi específicos.

Arrecifes

coralinos

Rochas

carbonatadas

Vulcanismo

Combustión

Carbón, gas e

petróleo

Mineralización

Acción bacteriana Descompoñedores

Consumidores Produtores

HIDROSFERA

CO2 ATMOSFÉRICO

As actividades humanas tenden a acelerar os ciclos bioxeoquímicos, poñendo en perigo os seus delicados mecanismos de autorregulación

7

o Fixación. Trátase da transformación do N2 en outros compostos asimilables polo metabolismo. Os organismos fixadores son maiormente bacterias e cianobacterias que converten o N2 atmosferico en amonio (NH4

+). Moitas delas viven en simbiose nas raíces de certas plantas como leguminosas, coas que comparten este nitróxeno fixado a cambio de moléculas orgánicas sintetizadas pola planta.

o Nitrificación. Consiste en reaccións oxidativas que transforman o amoníaco en nitritos (Nitrosomonas) e os nitritos en nitratos (Nitrobacter). Estas bacterias reciben por elo o nome de nitrificantes.

o Desnitrificación. Existen tamén bacterias desnitrificantes, que transforman os nitratos en N2 que difunde cara á atmosfera.

A nivel atmosférico tamén teñen lugar reaccións polas que o N2 dá lugar espontaneamente a

óxidos de nitróxeno (NOx). Estes reaccionan coa auga formando HNO3 que cae coa choiva. A humanidade tamén intervén no ciclo do nitróxeno de varios xeitos: o Os procesos de combustión a altas temperaturas (en motores de automóbiles, etc) forman NO2,

que se libera á atmosfera. Alí reacciona co vapor de auga formando ácido nítrico (HNO3) que cae coa choiva dando lugar ó fenómeno da chuvia ácida.

o A fixación industrial do nitróxeno atmosférico para convertelo en amoníaco e fertilizantes. o O abonado excesivo dos cultivos provoca unha liberación de N2O á atmosfera, o que por outra

parte contribúe ó efecto invernadoiro).

3.3 Ciclo do fósforo O fósforo non ten reservas atmosféricas apreciables, atópase maioritariamente inmobilizado nos sedimentos oceánicos formando parte da litosfera. O seu proceso de liberación é moi lento por depender do ciclo xeolóxico (105 - 108 anos), razón pola que constitúe o principal factor limitante, considerándose por iso un recurso non renovable. Trátase dun constituínte importante das biomoléculas que ademais está presente en estruturas ríxidas como cunchas e ósos.

8

Entre as accións biolóxicas sobre o fósforo está a que desenvolven as plantas, que asimilan fosfatos inorgánicos para os seus procesos de biosíntese aportando así fósforo aos demais niveis tróficos. As aves mariñas xeran grandes depósitos de guano que conteñen unha importante cantidade de fósforo. Certas bacterias poden reciclar fosfatos orgánicos a inorgánicos. Acción humana: - Extracción de fósforo en depósitos sedimentarios e aplicación de fosfatos para os cultivos. - Enriquecemento en fosfatos nas augas onde desembocan redes de sumidoiro, granxas para o engorde animal ou áreas de cultivo.

3.4 Ciclo do xofre

Entre os procesos máis salientables están:

As plantas e certas bacterias incorporan o sulfato que transforman en outras formas de xofre orgánico para utilizalo na biosíntese vexetal e tamén poder ser transferido ós demais niveis tróficos. Os seres vivos, ó morrer, libérano e por descomposición convértese en H2S pasando á atmosfera e a outros sistemas terrestres.

Na atmosfera o H2S oxídase rapidamente formando H2SO4 que coa choiva devolve xofre ó mar.

Os volcáns incrementan a cantidade de SO2 que se oxidará a H2SO4, contribuíndo de maneira natural á chuvia ácida.

A acción humana libera SO2 na atmosfera mediante a queima de combustibles fósiles, oxidándose a ácido sulfúrico.

CUESTIÓNS:

1. No seguinte ecosistema costeiro aparece claramente unha distribución por zonas das diferentes poboacións. ¿Cal pode ser o factor ambiental que. determina esta distribución?. ¿Que poboacións se verán máis restrinxidas a causa de dito factor?.

2. No mar atópanse substancias en disolución (sales) que son empregadas para a alimentación das algas microscópicas constituíntes do plancto vexetal (fitoplancto). Xunto ó plancto vexetal existe unha gran cantidade de animais microscópicos ou zooplancto, que se alimentan do fitoplancto. Os mexillóns e outros organismos filtradores recollen da auga o plancto (animal e vexetal) pois é a súa mantenza. As estrelamares abren as cunchas dos mexillóns e outros moluscos, devorándoos. Indica a que nivel trófico pertence cada unha das especies citadas. ¿Falta algún nivel?. Indícao.

3. “Na baía xaponesa de Minamata, durante a década de 1950, unha misteriosa epidemia afectou a familias enteiras, principalmente de pescadores. Os numerosos enfermos sufrían graves trastornos do sistema nervioso que se manifestaban por danos na vista e o oído, problemas de locomoción ou da fala e perdas da razón, contándose case un cento de mortos. A citada enfermidade tamén afectaba ós gatos. Tanto persoas como animais nutríanse sobre todo de peixe. Tras longas investigacións deduciuse que a orixe de tal doenza era o mercurio vertido ó mar por unha fábrica local”.

a) A partires deste e outros casos semellantes estableceuse o termo bioacumulación. Cal

9

pode ser o seu significado?.

b) Será a mesma concentración de toxina nos niveis tróficos baixos que nos altos? Por que?

c) Elabora a cadea trófica pola que circula o mercurio ata chegar ó ser humano .

4. Na rede trófica que se ilustra indica a que nivel trófico corresponden as diferentes poboacións.

O visón americano é un animal carnívoro pertencente ó grupo dos mustélidos, tales como a doneciña, furón ou teixugo. Actualmente, o visón é criado en granxas de Europa para a industria da peletería, non obstante, cada ano escapan moitos exemplares ata os montes próximos. ¿Que problema supón a introdución desta especie foránea nos montes europeos?. ¿Cal será o posible resultado ó cabo de certos anos?.

5. A seguinte táboa representa os valores dun ecosistema acuático.

a) Debuxa a pirámides de biomasa e de enerxía correspondentes.

b) Como se explica que a biomasa dos produtores sexa inferior á dos consumidores primarios.

c) Calcula a produtividade e o tempo de renovación (medido en días) para cada nivel.

6. Un barco naufraga fronte ás costas dunha illa descoñecida, cun solo rochoso e duro, desprovisto de vexetación.

A tripulación logra salvarse e consegue levar a terra unhas poucas ovellas e varios sacos de trigo.

Ante a supervivencia non conseguen poñerse de acordo na alimentación.

¿Poderías decidir ti por eles para que a súa supervivencia sexa o máis longa posible?.

7. Algúns expertos din que se a poboación mundial segue medrando como agora, as persoas deberán cambiar os costumes alimentarios e facerse vexetarianos. ¿Cres que isto ten algún fundamento? ¿Pensas que a situación dos países superpoboados como a India ou China sería mellor se a súa dieta se fundamentase nos alimentos de orixe animal?.

BIOMASA (kg/km2)

PRODUCIÓN (kg/km2.ano)

Fitoplancto 8000 18000000

Zooplancto herbívoro 16000 100000

Zooplancto carnívoro 4000 8000

Peixes 1800 900

10

8. Enche o seguinte encrucillado cos termos que se definen a continuación:

CUESTIÓNS DE SELECTIVIDADE

1. ¿Como se denominan este tipo de gráficas? ¿Por que? ¿Que nome

reciben os compartimentos que aparecen na gráfica?

¿Por que hai unha forte diminución da enerxía nos

compartimentos a medida que estes están más próximos ó cume?

¿Por que o número de elos é tan reducido?

¿Que ocorre coa enerxía de cada compartimento da gráfica que

non é aproveitada polo seguinte? Razoa a resposta

2. ¿Que tipos de pirámides ecolóxicas coñeces? ¿A cal corresponde a da figura? Comenta a información que achega a

pirámide.

¿O número de niveis tróficos dun ecosistema pode ser ilimitado? Xustifica a túa resposta.

¿Podería existir un ecosistema sen o nivel trófico dos descompoñedores? Razoa a resposta.

11

3. A seguinte figura mostra o ciclo do fósforo. ¿Como afectan ó ciclo do fósforo o abuso de fertilizantes químicos e o

uso de deterxentes con fosfatos?

¿Como pode afectar a pesca ó ciclo do fósforo?

¿Por que se considera o fósforo un recurso non

renovable?

4. Nun ecosistema, ¿a produción neta (Pn) dun nivel trófico determinado pode ser superior á produción neta do nivel

trófico anterior? Razoa a resposta.

O ciclo bioxeoquímico do xofre é un dos máis alterados polo home. ¿Cal é o principal modo en que se produce esa

alteración, e cales son os seus efectos sobre os ecosistemas? 5. ¿Cal é a causa de que nun ecosistema exista menos biomasa de mamíferos carnívoros que de herbívoros?

¿Por que procesos naturais se incorpora o carbono desde a biosfera ata a atmosfera?, ¿e á inversa? Realiza unha

breve explicación.

6. ¿Que importancia ten a fotosíntese nun ecosistema? Enumera os factores limitantes.

7. Na rede trófica que se esquematiza, distingue dúas cadeas tróficas, unha de

tres niveis e outra de catro, e indica, razoando a resposta, cál delas recibe

máis enerxía no último elo.

¿En que se diferenza un organismo produtor dun consumidor? Clasifica nun

ou outro grupo aos diferentes organismos da rede trófica que se esquematiza.

Explica que consecuencias tería, na rede trófica que se esquematiza, a

desaparición dos produtores. Explica tamén as consecuencias que tería a

desaparición dos carnívoros finais.

8. ¿Como afecta ao ciclo do fósforo o abuso de fertilizantes químicos e o uso de deterxentes con fosfatos?

¿Cal é a diferenza entre unha rede e unha cadea trófica? Cita un exemplo de cada unha delas

¿Podería existir un ecosistema sen o nivel trófico dos descompoñedores? Razoa a resposta. 9. Calcula a taxa de renovación (en % anual) e o tempo de renovación (en anos) medio de cada ecosistema (emprega

só as columnas de valores medios, non a de rango de variación).

Interpreta as diferenzas nas taxas de renovación (ou en tempos de renovación) atopadas entre bosques, matogueiras

e océanos.

¿Por que son tan baixos os valores na produción Primaria Neta e na Biomasa oceánica?