circulaciÓn de materia y energÍa en la bisofera
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CIRCULACIÓN DE MATERIA Y ENERGÍA EN LA BIOSFERA
UNIDAD 4
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Circulación de materia y energía en la Biosfera.
Lo más importante: Definiciones básicas. Relaciones tróficas. El flujo de energía. (Regla del 10%) El reciclado de materia. Parámetros tróficos: biomasa, producción,
productividad, tiempo de renovación y eficiencia Pirámides ecológicas o tróficas. Factores limitantes de la producción primaria. Ciclos Biogeoquímicos. (Carbono, Nitrógeno y
Fósforo)
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Ecología:En 1869, el biólogo alemán Ernst Haeckel
acuñó el término ecología, remitiéndose al origen griego de la palabra (oikos, casa; logos, ciencia, estudio, tratado).
Ciencia que estudia las relaciones que establecen los seres vivos con el medio físico y con otros seres vivos.
Ciencia que estudia los ecosistemas, sus componentes, las relaciones que se establecen entre ellos.
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Ecosistema:Sistema natural integrado por componentes vivos (BIOCENOSIS) y no vivos (BIOTOPO) que interaccionan entre sí.
ECOSISTEMA
biotopo biocenosis
definido por los componentes abióticos
Definido por los componentes bióticos
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BIOSFERA/ ECOSFERA:La Biosfera está formada por todos los seres
vivos que habitan el planeta en un momento dado.
La Ecosfera es el gran ecosistema planetario (cuya biocenosis sería la Biosfera y cuyo Biotopo correspondería a la Atmósfera, Geosfera y Hidrosfera)
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biotopo
biocenosis
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BIOMAS: Ecosistemas diferentes que hay en la Tierra.Modelos o tipos de ecosistemas “maduros”,
en ellos los componentes vivos aparecen perfectamente adaptados a las condiciones ambientales del lugar.
Ejemplos:• Tundra• Taiga• Bosque mediterráneo (esclerófilo)• Selva tropical• Sabana
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RELACIONES TRÓFICAS:
Mecanismos de transferencia de materia y energía de unos organismos a otros en forma de alimento.
Se representan mediante cadenas tróficas:
Olmo oruga oropéndola águila
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NIVELES TRÓFICOS:
Los seres vivos de un ecosistema se clasifican en tres grandes grupos según su forma de alimentarse :PRODUCTORESCONSUMIDORESDESCOMPONEDORES
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Primer nivel trófico: PRODUCTORES
Son la base trófica de cualquier ecosistema. Reúne a todos los organismos autótrofos del
ecosistema (tienen la capacidad de sintetizar materia orgánica-rica en energía en los enlaces C-C a partir de materia inorgánica).
Dependiendo de cuál sea su fuente de energía, distinguimos entre:
FOTOSINTETIZADORES y QUIMIOSINTETIZADORES
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Fotosintetizadores
Cianobacterias Bacterias verdes Algas Vegetales terrestres (musgos, helechos y
plantas con flores) Son capaces de captar la energía lumínica
y transformarla en energía química asociada a la materia orgánica.
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Quimiosintetizadores
La Quimiosíntesis es la conversión biológica de moléculas de 1 átomo carbono ( generalmente dióxido de carbono o metano) y nutrientes en materia orgánica usando la oxidación de moléculas inorgánicas (compuestos de azufre, nitrógeno, hierro,..) como fuente de energía, sin la luz solar, a diferencia de la fotosíntesis.
Los organismos quimiosintetizadores son bacterias y son la base trófica de ecosistemas muy especiales a donde no llega la luz.
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La materia orgánica sintetizada por los productores sigue dos vías:Una parte es empleada para la obtención de
energía necesaria para las funciones vitales mediante la respiración celular.
El resto se almacena como tal constituyendo los tejidos y órganos de la planta.
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LA RESPIRACIÓN
La respiración permite a los organismos vivos la utilización de la energía contenida en la materia orgánica para realizar todos los procesos vitales.
Esta energía se degrada y se transforma en energía no útil, calor que se dispersa en el medio.
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Segundo nivel trófico: CONSUMIDORES
Organismos heterótrofos que usan la materia orgánica bien directamente o indirectamente desde los productores.
La usan como fuente de energía (mediante la respiración) y como aporte de materia.
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Distinguimos entre:C. primarios (herbívoros)C. secundarios (carnívoros)Carnívoros finalesAlgunos pueden pertenecer a dos
niveles tróficos a la vez (Omnívoros)…
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Cadenas tróficas
Hoja Caracol Pinzón Águila
P C1 C2 C3
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CADENAS TRÓFICAS
REDES TRÓFICAS
En los ecosistemas las cadenas aisladas no existen.
En realidad el flujo de energía deja de ser lineal para convertirse en una intrincada red de relaciones tróficas.
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Tercer nivel trófico: DESCOMPONEDORES
Nivel formado por hongos y bacterias (aerobias y anaerobias).
Viven en el suelo o en el fondo de los ecosistemas acuáticos (sólo bacterias). Se nutren de los restos que allí se acumulan.
Se encargan de transformar la materia orgánica en inorgánica, cerrando así el ciclo de la materia.
Dos grupos: TRANSFORMADORES y MINERALIZADORES
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DESCOMPONEDORES
(Saprófagos) Bacterias y hongos. Descomponedores
heterótrofos. Realizan
transformaciones sobre las moléculas orgánicas liberando moléculas sencillas (tanto orgánicas como inorgánicas)
Son descomponedores autótrofos (quimiosintetizadores).
Cierran el ciclo de la materia ya que transforman compuestos procedentes de la actividad de otros seres vivos en sales útiles para las plantas.
Su papel es doble: productores y descomponedores a la vez.
Ej: bacterias nitrificantesNH3 NO3
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El ciclo de la materia en un ecosistema
La materia tiende a reciclarse en un ecosistema
MATERIA ORGÁNICAMATERIA INORGÁNICA
PRODUCTORES
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El flujo de energía.
El flujo de energía :Es UNIDIRECCIONALVa disminuyendo a lo largo de la
cadena trófica
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La energía entrante en la cadena trófica es igual a la almacenada en cada uno de sus niveles en forma de materia orgánica, más la desprendida como calor.
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¿Por qué es limitado -a lo sumo cinco- el número de eslabones en una cadena trófica?
¿Por qué son tan escasos los superdepredadores?
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Regla del 10%
La energía que pasa de un eslabón a otro es aproximadamente el 10% de la acumulada en él.
Al pasar de un nivel trófico a otro se pierde aproximadamente el 90% de la energía.
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PARÁMETROS TRÓFICOS.
INFORMACIÓN CUANTITATIVA SON MEDIDAS, DATOS DEL
ECOSISTEMA REFLEJADOS CON CIFRAS Y UNIDADES.
EVALÚAN LA RENTABILIDAD DE CADA NIVEL TRÓFICO O ECOSISTEMA COMPLETO.
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BIOMASA PRODUCCIÓN PRODUCTIVIDAD TIEMPO DE RENOVACIÓN EFICIENCIA
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Biomasa Cantidad de materia orgánica viva o muerta
en cada nivel trófico o ecosistema. Se expresa en peso seco. Unidades:
-unidad de masa o energía/unidad de superficie o volumen.
gC/m2, KgC/m3, Kcal/m2
-Un gramo de biomasa equivale aproximadamente a 4 o 5 Kilocalorías.
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Producción
Representa la cantidad de energía que fluye por cada nivel trófico.
Energía captada por unidad de tiempo. Unidades: gC/m2.día, Kcal/Ha.año. Producción primaria: Energía captada por
los organismos autótrofos. Producción secundaria: Energía captada
por los organismos heterótrofos.
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Producción bruta:
Energía fijada por unidad de tiempo
Producción neta:
Energía almacenada por unidad de tiempo.
Representa el incremento de biomasa.
Pn= Pb-Respiración
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Productividad. Tasa de renovación
Producción neta/ Biomasa. PN/B “Relación entre los intereses y el
capital que los produce” Representa la velocidad con que se
renueva la biomasa. Como se expresa: por ejemplo
podemos decir que un nivel trófico tiene una tasa de renovación del 0,6 anual o 60% anual
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Tiempo de renovación.
Tiempo que tarda un nivel trófico o ecosistema en renovarse.
Se expresa en años meses, días. B/PN
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Eficiencias
Salidas/ Entradas. Se puede valorar de muchas formas
diferentes
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EFICIENCIAS (Rendimiento)
“Cociente entre dos variables: la variable dependiente o de salida, dividida por la variable independiente o de entrada” Ramon Margaleff
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Diferentes formas de medir la eficiencia.
PRODUCTORES:Eficiencia fotosintética :
• PPb/radiación solarEficiencia de asimilación:
• PPb/luz absorbidaEficiencia de producción:
• PPn/PPb
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CONSUMIDORES
EFICIENCIA DE ASIMILACIÓN = A/C
EFICIENCIA DE CRECIMIENTO ECOLÓGICO = PN/C
EFICIENCIA DE PRODUCCIÓN = PN/A. Proporción de energía no utilizada en los gastos metabólicos
EFICIENCIA DE CONSUMO = CN/PN-1
PPN-1
C D
A
PN
R
SC
A-ASIMILACIÓN . PB
C-CONSUMIDO, INGERIDO
PN -PRODUCCIÓN NETA
PN-1-PRODUCCIÓN NETA DEL NIVEL TRÓFICO ANTERIOR
D-DESECHOS
R-RESPIRACIÓN
NC-NO CONSUMIDO
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PIRAMIDES TRÓFICAS
DE NÚMEROS DE BIOMASA
DE ENERGÍA O PRODUCCIÓN
PUEDEN SER INVERTIDAS
NUNCA PUEDEN SER INVERTIDAS
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¿Por qué las pirámides ecológicas de Biomasa de algunos ecosistemas acuáticos pueden ser invertidas?
El ecosistema acuático está representado por una pirámide invertida, una biomasa de 3.000 Kg. en el nivel de los productores soporta a una biomasa de 7.000 Kg. de consumidores primarios. Esto sólo es posible si el nivel de los productores ( fitoplancton) tiene una alta tasa de renovación o productividad, es decir una alta producción neta para una pequeña biomasa.
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La relación producción neta/ biomasa es muy alta en el plancton, puede ser cercana al 100% diario. Esto quiere decir que la población se renueva con gran rapidez. Significaría que pueden llegar a tener tasas de renovación de hasta un día. En la vegetación terrestre el valor suele estar entre un 2 y un 100% anual lo que significa tasas de renovación de entre 1 y 50 años.
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CONTAMINACIÓN POR MERCURIO.
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FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA
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julio
abril
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La Ley del Mínimo de Liebig
Justus Liebig en 1840 fue uno de los pioneros en el estudio del efecto de diversos factores sobre el crecimiento de las plantas.
Descubrió, como saben los agricultores en la actualidad, que el rendimiento de las plantas suele ser limitado no sólo por los nutrientes necesarios en grandes cantidades, como el dióxido de carbono y el agua, que suelen abundar en el medio, sino por algunas materias primas como el cinc, por ejemplo, que se necesitan en cantidades diminutas pero escasean en el suelo. La afirmación de Liebig de que "el crecimiento de una planta depende de los nutrientes disponibles sólo en cantidades mínimas" ha llegado a conocerse como "ley" del mínimo de Liebig.
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Factor limitante de la producción es aquel que escasea en el ambiente y por tanto limita la producción primaria, aunque el resto de factores estén en su cantidad óptima.
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Pueden ser factores limitantes de la producción primaria:La humedadLa temperaturaLa falta de nutrientes La ausencia de luz
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La luz como factor limitante
La cantidad de luz solar empleada en la fotosíntesis es muy pequeña (0,06% -0,09% del total incidente)
ENERGÍA INTERNA FRENTE A ENERGÍAS EXTERNAS PROCEDENTES TAMBIÉN DE LA RADIACIÓN SOLAR Y NECESARIAS PARA LA PRODUCCIÓN PRIMARIA
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En los ecosistemas acuáticos la luz puede ser un factor limitante, por debajo de la zona fótica no hay fotosíntesis
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¿A más intensidad luminosa más fotosíntesis?
Si, pero…
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Al aumentar la intensidad lumínica, aumenta la producción, pero al alcanzar un nivel determinado se produce una saturación.
Cada planta responde con saturaciones aunque con valores diferentes.
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¿Cuál es la causa?
La estructura interna del aparato fotosintético.
Depende del número disponible de unidades de captación de luz en el interior del cloroplasto
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¿Cómo influye la temperatura?
Como norma general, a mayor temperatura, mayor actividad fotosintética, hasta que se llega a un máximo, superado el cual se pueden desnaturalizar algunas enzimas. La temperatura óptima variará de unas especies a otras.
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La fotorrespiración
Es un proceso realizado por las plantas cuando la concentración de O2 aumenta y/o disminuye la de CO2
La fotorrespiración desperdicia una buena parte de la energía solar capturada en las reacciones luminosas. Provoca una disminución en la eficiencia fotosintética de las plantas que la realicen.
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La fotorrespiración se incrementa conforme aumenta la temperatura ambiente, lo cual sucede especialmente en días claros y soleados. A mayor temperatura, más tasa de fotorrespiración, llegando a igualar en ocasiones la tasa de fotosíntesis. En esos momentos el ritmo de crecimiento de las plantas se detiene.
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Las plantas que logran minimizar la fotorrespiración tienen una ventaja adapatativa sobre las demás y pueden colonizar medios áridos, secos y soleados. A las plantas que evitan la fotorrespiración se les denomina plantas C4 porque desarrollan un proceso en el que intervienen compuestos de cuatro átomos de carbono.
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En regiones como el Valle del Ebro o el Sureste peninsular, con un clima árido y elevadas temperaturas en verano, que limitan mucho el rendimiento de las plantas, las especies tipo C4 son de gran interés. Entre estas plantas están algunas quenopodiáceas, como el sisallo (Salsola vermiculata).
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Tipos de Fotosíntesis Dependiendo del tipo de condiciones medioambientales las
plantas pueden realizar el proceso de fotosíntesis mediante 3 tipos diferentes:
C3
• Tomate
C4 • Caña de azucar
CAM • Cactus
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Fósforo, nitrógeno y otros nutrientes. Muchas veces factores limitantes
Su incorporación por parte de los vegetales depende del reciclado de la materia y de la actividad de otros seres vivos
En los ecosistemas acuáticos hay , en muchas ocasiones, una distancia importante entre productores y consumidores.
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La producción primaria en los ecosistemas acuáticos se ve favorecida por el oleaje en las zonas poco profundas y por las corrientes marinas en zonas más profundas (afloramientos)