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UNIDAD 4: CIRCULACIÓN DE MATERIA Y
ENERGÍA EN LA BIOSFERA



              * Introducción
              * Relaciones tróficas
              * El ciclo de materia y flujo de energía
              * Las pirámides ecológicas
              * Factores limitantes de la producción
              primaria
              * Los ciclos biogeoquímicos
INTRODUCCIÓN




            Es el conjunto formado por todos los
Biosfera
             seres vivos que habitan la Tierra.

           Sistema abierto    Se producen entradas y
                               salidas de materia y
                                     energía
INTRODUCCIÓN

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

                                              Biocenosis
   ECOSISTEMA         Se compone por
                                              Biotopo      Biocenosis o comunidad
                                                                 Biotopo



Parte abiótica del vivos que conviven en el
Conjunto de seres ecosistema: humedad,
temperatura, que se relacionan entre ellos
ecosistema y gases, salinidad,…
INTRODUCCIÓN




                                                     La biosfera es la biocenosis de
                                                               la ecosfera


           Es el conjunto formado por todos los ecosistemas de
Ecosfera
           la Tierra, o sea, es el gran ecosistema planetario.

           Sistema cerrado    Se producen entradas y
                              salidas de energía, pero
                                   no de materia
INTRODUCCIÓN

Biomas              Son los diferentes ecosistemas que hay en la Tierra




  Zona climática:        Zona climática:
    Templada
       Fría                Templada
                              Fría



  Zona climática:
  Zona climática:
     Cálida
     Cálida
   ESTEPA
DESIERTO FRÍO             BOSQUE
                          TUNDRA
                           TAIGA
                       MEDITERRÁNEO
                        CADUCIFOLIO



  DESIERTO
   BOSQUE
   SABANA
 ECUATORIAL
  TROPICAL
   CÁLIDO
RELACIONES TRÓFICAS



Relaciones            Representan el mecanismo de transferencia energética de
 tróficas                  unos organismos a otros en forma de alimento.
             Se
                  re
                    pr
                       es
                          en
                            ta
                              n
                                  m
                                   ed
                                     ian
                                        te

      CADENAS TRÓFICAS están formada por una serie de organismos de un ecosistema
         ordenados linealmente y en la cual, cada individuo come al que le precede.


       NIVELES TRÓFICOS productores, consumidores y descomponedores
RELACIONES TRÓFICAS

CADENAS TRÓFICAS están formada por una serie de organismos de un ecosistema
   ordenados linealmente y en la cual, cada individuo come al que le precede.


                                                   ¿Qué cadena trófica podemos
                                                   obtener observando la figura?


                                                       PLANTA ACUÁTICA



                                                         SALTAMONTES



                                                              RANA



                                                             ZORRO
RELACIONES TRÓFICAS

NIVELES TRÓFICOS


             PRODUCTORES: Son autótrofos (capaces
             de convertir materia inorgánica en         CONSUMIDORES: Heterótrofos
             orgánica)                                  (utilizan la materia orgánica
                                                        producida por los autótrofos)




                                                                           CONSUMIDOR
                                                                           SECUNDARIO
                                                    CONSUMIDOR
                                                       PRIMARIO




                                             DESCOMPONEDORES: Son
                                             heterótrofos que descomponen restos
                                             orgánicos hasta materia útil para los
                                             productores
RELACIONES TRÓFICAS

NIVELES TRÓFICOS         Productores

Primer nivel trófico               Se dividen en



  Fotosintéticos                                             Quimiosintéticos
     Dependen de la luz, son
      Dependen de la luz, son                       Independientes de la luz, son
                                                     Independientes de la luz, son
    las algas, las plantas, las
     las algas, las plantas, las                    bacterias autótrofas. Obtienen
                                                     bacterias autótrofas. Obtienen
    cianobacterias yyalgunas
     cianobacterias algunas                         energía de la oxidación de
                                                     energía de la oxidación de
             bacterias
              bacterias                             moléculas inorgánicas
                                                     moléculas inorgánicas
                                                    (compuestos del S, N o Fe)
                                                     (compuestos del S, N o Fe)



                                       Glucosa
RELACIONES TRÓFICAS

NIVELES TRÓFICOS       Productores




                                                   Se usa para


    Usarla por los fotosintéticos en         Se almacena en los tejidos
            la respiración                     vegetales y puede ser
                                           transferida al resto de niveles
                                                       tróficos
RELACIONES TRÓFICAS

NIVELES TRÓFICOS        Consumidores

Heterótrofos que usan la materia orgánica
                                            Consumidores primarios o herbívoros: Se
 producida por los autótrofos, de forma
                                            alimentan de los productores y son el 2º nivel
   directa o indirecta para realizar sus
                                            trófico
   funciones vitales por mecanismos
               respiratorios                Consumidores secundarios o carnívoros:
                                            Son el tercer nivel trófico y se alimentan de
                                            herbívoros




                                                Carnívoros finales: Se alimentan de los
                                                carnívoros y constituyen el 4º nivel
RELACIONES TRÓFICAS

NIVELES TRÓFICOS       Consumidores




                                                                Por lo general cada
                                                                 organismo de un
                                                              ecosistema se alimenta
                                                               de diversas fuentes.




                                                              Una RED TRÓFICA es el
                                                                 conjunto de cadenas
                                                               tróficas interconectadas
                                                              que pueden establecerse
                                                                   en el ecosistema.




   Omnívoros: Senecrófagos: Se alimentan de cadáveres
   Saprofitos o o alimentan de más de un nivel trófico y es
    Carroñeros detritívoros: Consumen todo tipo de detritus
   un carácter adaptativo que garantiza la supervivencia
RELACIONES TRÓFICAS

NIVELES TRÓFICOS         Descomponedores

Heterótrofos de un tipo especial de detritívoros
   que transforman la materia orgánica en
     inorgánica útil para los productores



                                          Materia
                                           Materia
                                          orgánica
                                           orgánica


           PRODUCTORES                                DESCOMPONEDORES




                                        Materia
                                        Materia
                                      inorgánica
                                       inorgánica
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA




Ecosistemas
        Sigue
             n prin
                   cipio
                        s   de
                                 SOSTENIBILIDAD NATURAL

Reciclan la materia al máximo obteniendo nutrientes que
no se escapen y sin producir desechos no utilizables

                                 Usan la luz solar como fuente de energía
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA


                Se transmiten en los
Materia y                                 Relaciones alimentarias entre
 energía        ecosistemas por
                                          organismos




  Flujo de energía (abierto)       El reciclado de la materia (cerrado)
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

El reciclado de la materia (cerrado)

                                          BIODEGRADABLE
                      Es
        Materia
         Materia
        orgánica
         orgánica


                                                                  Vía aerobia
                     DESCOMPONEDORES
                                               Lo pueden hacer
                                                           por
                                                                 Vía anaerobia

      Materia
      Materia
    inorgánica
     inorgánica

  Vuelve a ser utilizada por los productores

  Se recicla y no se pierde
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

El reciclado de la materia (cerrado)




                  El ciclo de la materia tiende a ser cerrado

              A veces los nutrientes se escapan de la biosfera por:
                Gasificación: Hacia la atmósfera
                Lixiviado: Lavado y arrastre de los materiales solubles del suelo
                Transformación en combustibles: Se almacenan en la litosfera
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

Flujo de energía (abierto)

                                La energía solar entra mediante
                                fotosíntesis en las cadenas tróficas




                                                     Pasa de unos eslabones a
                                                     otros mediante el alimento




                                                     Sale en forma de calor




                         El flujo de energía es abierto    Flujo abierto y unidireccional
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

Flujo de energía (abierto)

   Regla del 10%: La energía        Se cumple la primera ley de la termodinámica:
 que pasa de un nivel trófico es    La energía entrante en la cadena trófica = Energía
 aproximadamente el 10% de la       acumulada en cada nivel en forma de biomasa + Calor
       acumulada en el              desprendido




                            La disminución del flujo de energía hace que el nº de
                            eslabones tróficos sea reducido (no más de 5)
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

Parámetros tróficos


                                       Biomasa (B)

              Son medidas para         Producción (P)
            evaluar la rentabilidad
            de cada nivel trófico o    Productividad
              de un ecosistema         Tiempo de renovación
                                       Eficiencia
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

Parámetros tróficos
                          Cantidad de materia orgánica de un nivel
                          trófico o de un ecosistema
    Biomasa (B)

                      Incluye                      Se mide


  M.O. viva                                   Con unidades de masa (kg, g, mg,..)
          Fitomasa                            o con unidades de energía (1 g de
          Zoomasa                             materia orgánica = 4 o 5 kcal)
  M.O. muerta o necromasa
                                          Se calcula haciendo referencia a su
                                          cantidad por área o volumen (g C/cm2 ,
                                          kg C/m2, …)



           Es la manera que tiene la biosfera de
                       almacenar energía solar
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

Parámetros tróficos

      Biomasa (B)

En forma de biomasa
es como se transfiere
   la energía de unos
   niveles a otros a lo
   largo de la cadena
                trófica.
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

Parámetros tróficos
                                Representa la cantidad de energía que
    Producción (P)              fluye por cada nivel trófico


                              Se expresa como



                                                         Producción primaria
                                              Se
    g C/m · día, kcal/ha · año,…
         2
                                           divide            Energía fijada por los
                                                              Energía fijada por los
                                               en           organismos autótrofos
                 1 J = 0,24 cal                              organismos autótrofos

                       Vatio (J/s)
                                                         Producción secundaria

                                                             Corresponde al resto
                                                             Corresponde al resto
                                                               de niveles tróficos
                                                                de niveles tróficos
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

                                         PRODUCCIÓN BRUTA (Pb)
Parámetros tróficos                      Energía fijada en cada nivel trófico por
                                         unidad de tiempo
    Producción (P)
                                              Productores  total fotosintetizado/ día o año
Producción primaria
                                                            Consumidores 
                                                   alimento asimilado/alimento ingerido
Producción secundaria    En ambos casos hay
                         que diferenciar

                                          PRODUCCIÓN NETA (Pn)
                                          Energía almacenada en cada nivel
                                          trófico por unidad de tiempo

                                                  Representa el aumento de biomasa
                                                        por unidad de tiempo
                                  Se obtiene restando a la Pb la energía consumida
                                   en el proceso respiratorio de automantenimiento
                                                       Pn = Pb - R
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

 Parámetros tróficos

     Producción (P)


Energía solar

                                                                        Respiración
                   Respiración               Respiración


                                           Pb            Pn           Pb        Pn
             Productores         PPn      de los                   carnívoros
                PPb                     herbívoros
                                            Energía no E no utilizada         E no
     Calor                 Energía no       asimilada                       asimilada
                                                         Descom-
                            utilizada
                                                        ponedores
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

Parámetros tróficos

     Producción (P)




• Primer nivel.                            • Resto de los niveles.
– Sólo entre un 2 y un 5 % de la energía   – Sólo el 10% de la energía acumulada por
solar incidente es aprovechada por la      los productores en forma de biomasa se
fotosíntesis y transformada en materia     transfiere a los herbívoros. Se pierde
orgánica.                                  energía en forma de calor y con las heces.
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

Parámetros tróficos

                         Relación entre la producción neta (cantidad
                         de energía almacenada por unidad de
    Productividad        tiempo) y la biomasa (materia orgánica total)   Pn/B


                              Conocida como tasa de renovación
                                  Mide la velocidad con que
                                    se renueva la biomasa




                             Período que tarda en renovarse un nivel
 Tiempo de renovación
                             trófico o sistema                           B/Pn

                                           Se mide en
                                                Días, años,…
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA
Parámetros tróficos

                          Representa el rendimiento de un nivel trófico
                          o de un sistema y se calcula con el cociente
    Eficiencia            salidas/entradas
            Se valora desde
            deferentes tipos de vista

          Eficiencia de los productores   Energía asimilada/energía incidente

                                           < 2% (corresponde a la producción bruta)
                                            < 2% (corresponde a la producción bruta)

          Pn/Pb    Cantidad de energía incorporada respecto al total asimilado

                              10 – 40% en el fitoplacton >50% vegetación terrestre
                               10 – 40% en el fitoplacton >50% vegetación terrestre

          En consumidores       Pn/alimento total ingerido o engorde/alimento
                                ingerido
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

Parámetros tróficos
                         Fracción de la producción neta de un determinado nivel
                         que se convierte en producción neta del nivel siguiente
    Eficiencia
    ecológica                       (PN/PN del nivel anterior) · 100


          Teniendo en cuenta la regla del 10 % es más rentable (eficiente)
          alimentarse del primer nivel ya que se aprovecha más la energía y se
          puede alimentar a un mayor número de individuos.
          (Referencia al vegetarianismo como movimiento ecológico).
RESUMEN
                                              PARÁMETROS TRÓFICOS


                                                PRODUCTIVIDAD                 TIEMPO DE                        EFICIENCIA
    BIOMASA               PRODUCCIÓN
                                                Tasa de renovación           RENOVACIÓN

                                                         La cantidad de energía
                                                                                            Es el tiempo que tarda
Cantidad de Materia                                          almacenada por
                          Energía por                                                    en renovarse un nivel trófico
      Orgánica                                               unidad de tiempo
                        cada nivel trófico                                                     o un ecosistema
  Por nivel trófico o                                              en un
en todo el ecosistema                                     eslabón o ecosistema
                                                                                                  Se puede medir en
                                                              en relación con
                                                                                                     días, años, ...
                                     SECUNDARIA          la materia orgánica total
                                  Niveles consumidores

                PRIMARIA
           Nivel de productores                                                                     El porcentaje de energía
                                                              Pn / B               B / Pn          que es transferida desde un
                              g C/m2 . día                                                           nivel trófico al siguiente
       g C/cm2                Kcal/ha . año
       kg C/m2                                                                                               Es la parte
       tm C/ha                                                                                         de la producción neta
                                                                                                        de un determinado
                  P. BRUTA                      P. NETA                                                 nivel trófico que se
                                                                                                            convierte en
                                                                 Pn/Pn del nivel anterior . 100        Pn del nivel siguiente

      Energía fijada                  Energía almacenada                 Pn/Pb . 100
                                                                                                   Mide la cantidad de energía
   por unidad de tiempo               por unidad de tiempo                                         incorporada a un nivel trófico
                                                                                                    respecto del total asimilado
                               Pn = Pb - R
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

Parámetros tróficos
   Observa el siguiente dibujo en el que se expresa el destino de la energía
   de los alimentos en kilocalorias en el caso de un herbívoro durante un día.




    •   a) Calcula la producción bruta, la producción neta, la eficiencia y la
        productividad, teniendo en cuenta que la vaquita pesa 500 kg.
    •   b) Si “ al aumentar la produccion bruta de un individuo, aumenta su
        producción neta; al aumentar ésta, aumenta la biomasa; pero al
        aumentar la biomasa, aumenta la respiración; y al aumentar ésta
        última, disminuye la producción neta”. Dibuja y explica el diagrama
        causal y aplícalo al caso de esta vaquita.
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

 El problema ambiental de la bioacumulación
                                 http://cienciassobrarbe.wordpress.com/2011/05/19/bioacumulacion/
Energía solar
                                       Materia inorgánica




     Productores        Consumidores           Consumidores            Consumidores
                          primarios             secundarios              terciarios




                                     Descomponedores




           Los contaminantes del medio ingresan en las cadenas tróficas y se
           transfieren junto con la materia y la energía de unos a otros niveles
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

El problema ambiental de la bioacumulación

                           Proceso de acumulación de sustancias tóxicas o de
                           compuestos orgánicos sintéticos, en organismos vivos,
 Bioacumulación            en concentraciones cada vez mayores y superiores a
                           las registradas en el medio ambiente.


                                                           Ocurre cuando las sustancias
                                                             ingeridas no pueden ser
                                                           descompuestas ni excretadas

                                                           Se mide por el factor de
                                                           bioconcentración: Relación
                                                           entre la concentración en el
                                                           organismo y el aire o agua
                                                           circundante


 La sustancia puede provenir del   La vía de entrada puede ser
 suelo, aire, agua o seres vivos   digestiva, respiratoria o cutánea

 Al no metabolizarse se acumula    Altas concentraciones causan lesiones o la muerte y la
 en grasas y órganos internos      concentración se eleva al subir en la cadena trófica
CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA

El problema ambiental de la bioacumulación




A la vista del siguiente gráfico, calcular la concentración de PCBs (Policloruros de
bifenilo) en las gambas y en las gaviotas del lago Ontario, teniendo en cuenta que se
presentan los factores de bioconcentración de cada una de las especies en la
cadena alimentaria.
LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS


Representan gráficamente como varía una característica entre los diferentes
niveles tróficos




                                                      Cada nivel se representa por
                                                      un piso de la pirámide
                    consumidores terciarios
                                                      La base es el nivel de los
                       consumidores secundarios       productores y encima están
                                                      por orden los demás niveles
                        consumidores primarios

                                                      La altura de los pisos es igual
                        productores                   y la anchura es proporcional a
                                                      la característica que se
                                                      representa (energía
                                                      acumulada, biomasa o nº de
                                                      individuos)
3
               LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS



                 Tipos de
                 pirámides tróficas




                                                    Pirámide de energía
Pirámides de
  biomasa




                             Pirámides de números
LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS
Pirámides de energía




      • Cada piso de la pirámide representa la energía almacenada por cada nivel trófico

      • Es la única que nunca puede ser invertida, pues ningún nivel puede tener menos
      energía que el siguiente al que sustenta (regla del 10%)
LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS
Pirámides de biomasa




         • En cada piso se representa a biomasa (cantidad de materia orgánica)

         • Lo normal es que al ascender los pisos sean menores, ya que la
         materia orgánica se usa para producir energía (regla del 10%)
LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS
Pirámides de biomasa




       • En ecosistemas terrestres la biomasa de los consumidores primarios es muy
       pequeña al compararla la de los productores (grandes diferencias en los niveles)
LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS
Pirámides de biomasa

       • En algunos ecosistemas acuáticos pueden darse casos de pirámides de
       biomasa invertidas




                    • En estos casos biomasa de los productores es
                    menor, pero crecen y se reproducen con rapidez
LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS
Pirámides de números




         • En cada piso se representa el nº total de individuos
LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS
Pirámides de números

               • No tienen en cuenta el tamaño del individuo

               • Puede haber pirámides invertidas
LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS
FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA

                                                    Constituyen la base de las
     Producción primaria                                cadenas tróficas


Se puede           Energía fijada por los
                    Energía fijada por los
aumentar          organismos autótrofos
                   organismos autótrofos             Para conseguir más alimentos
controlando                                           es necesario su incremento
sus

                               Ley del mínimo de LIEBEG:
     Factores limitantes       El crecimiento de una especie vegetal se ve limitado
                               por el único elemento que se encuentra en una
                               cantidad inferior a la mínima necesaria y que actúa
                               como factor limitante




                                     Factor del medio (luz, Tª, humedad) o elemento
                                     (P,N,Ca, K,…) que escasea en el medio, y que
                                         limita el crecimiento de los seres vivos
FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA

   Energía necesaria
   en la fotosíntesis
             Se diferencian en

         Energía interna      Cantidad de luz solar utilizada
                             (0,06 - 0,09 % del total incidente)



         Energías externas    También necesarias para la producción primaria




  Energías de procedencia solar,             Aportadas por seres humanos,
   las ENERGÍAS EXTERNAS:                 ENERGÍAS DE APOYO Y AUXILIARES:
      Ciclo del agua, vientos,               Maquinaria, riego, invernaderos,
    desplazamientos de aguas,                 plaguicidas, abonos químicos,
    variaciones de temperatura,                   selección de semillas,
lluvias, movimientos de nutrientes                combustibles fósiles,..
FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA



                       Limitan la producción primaria en áreas continentales
                       Si aumentan aumenta la producción primaria
                           Temperatura y humedad
Factores limitantes
       de la               Falta de nutrientes
producción primaria
                           Luz y disposición de las unidades fotosintéticas




                      Un aumento incrementa la producción, pero si
                      aumenta en exceso decrece bruscamente. Ya
                      que las enzimas fotosintéticas se desnaturalizan.
FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA


Temperatura y humedad

            RuBisCO (ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa oxigenasa)

                                                [O2] 21%
                                              [CO2] 0,03%



                 [O2] > 21%
                      y/o
                [CO2] < 0,03%



                   Esta enzima se ve condicionada
                   también por las concentraciones de
                   oxígeno y dióxido de carbono.
FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA


Temperatura y humedad




                          Atmósfera:
                    21 % de O2 y 0’03 % CO2


                   CO2

         RuBisCo                                Fotosíntesis

                   H2O

                                            Formación de materia
                                         orgánica y desprendimiento
                                                 de oxígeno
FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA

 Temperatura y humedad

                                Si bajan los niveles de CO2 y
                                   suben los niveles de O2



                                                   O2

           Fotorrespiración                                  RuBisCo

                                                                No se forma materia
                                                                     orgánica
      Proceso parecido a la respiración
                                                             Se consume oxígeno y se
         Ocurre en presencia de luz
                                                                  desprende CO2
a la vez que la fotosíntesis, que se ralentiza



                                                 Disminuye la eficiencia fotosintética
 El proceso sigue hasta
 equilibrar los niveles de                       Se rebaja la producción de materia
       ambos gases                                            orgánica
FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA


Temperatura y humedad



                                     PLANTAS C3


          Según ocurran los
           Según ocurran los
  procesos de fotosíntesis yy
   procesos de fotosíntesis
 fotorrespiración las plantas
  fotorrespiración las plantas
                   de dividen
                    de dividen

                                    PLANTAS C4

  Según el nº de C que
  contiene el primer
  compuesto sintetizado en
  su proceso fotosintético
FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA

Temperatura y humedad

 PLANTAS C3




                                                                Se cierran
    Pierden mucho agua                                         los estomas
                                         SEQUÍA
   a través de los estomas




                                                           Aumenta el oxígeno
       Ningún problema        Fotorrespiración              Disminuye el CO2
      en climas húmedos

                             Se reduce la eficiencia fotosintética
FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA

   Temperatura y humedad

    PLANTAS C4




     Mecanismo que les permite              Cactus y
                                                                Adaptaciones
           bombear el CO2              plantas del desierto
                                                                morfológicas
      y acumularlo en sus hojas
                                                              Mecanismo CAM


       Evitan la fotorrespiración              Cierran los estomas durante el día
                                                 Fijan el CO2 durante la noche
                                                Fotosíntesis con el almacenado
Mayor producción de materia orgánica                      durante el día
FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA

Temperatura y humedad

    Adaptaciones si la temperatura una parte del año es baja



 Predominio de las plantas herbáceas




                                          Estructuras hibernantes subterráneas:
                                               Bulbos, tubérculos, rizomas




              Fotoperiodo:
Época de máximo desarrollo de hojas y flores
FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA

Falta de nutrientes

     La eficiencia fotosintética depende de la presencia de ciertos nutrientes
             Su presencia depende de los mecanismos de reciclado,
                      que dependen de las energías externas




                                      El CO2
                                      no lo es
                                      El N le
                                      sigue
                                  en importancia

                                El P es el principal
FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA

Falta de nutrientes
                         Productores              descomponedores


En ecosistemas marinos      A mayor distancia  más energías
                                         externas




                                       Zonas de afloramiento


En ecosistemas terrestres
                             Distancia entre productores y
                             descomponedores menores
FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA

Luz y disposición de las unidades fotosintéticas

             Salvo en las profundidades oceánicas, no es muy
             común que la falta de luz sea un factor limitante, pero la
             propia estructura del aparato fotosintético de los
             cloroplastos es un factor limitante.


                                                      Los fotosistemas (sistemas de
                                                       captación) se hacen sombra

                                                       Los fotosistemas tiene varias
                                                           unidades de captación
                                                        (clorofilas y carotenos) pero
                                                         solo un centro de reacción

                                                        Al aumentar la intensidad
                                                           lumínica aumenta la
                                                      producción primaria, pero a un
                                                      determinado nivel se satura ya
                                                      que el centro de reacción actúa
                                                       a modo de cuello de botella
LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

                  Camino que sigue la materia que escapa de la
                  biosfera hacia otros subsistemas terrestres (A, H,
                  L) antes de retornar a la B.

                          El tiempo de permanencia de los
                          elementos en los distintos subsistemas
                          es muy variable.

                         Se llama reserva o almacén al lugar
                         donde la permanencia es máxima.



                                Los ciclos tienden a ser cerrados.

    Las actividades humanas ocasionan apertura y aceleración de
    los ciclos contraviniendo el principio de sostenibilidad de
    reciclar al máximo la materia.
Esto origina que se escapen nutrientes y se produzcan desechos
LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS


                El ciclo del CARBONO
                                                           Erupciones volcánicas
                                   CO2 atmosférico                             Ciclo de la rocas


                                           c ió   n
                                  Re spira
                                                  Fotosíntesis             Difusión directa:
                                                  Productores             paso a la hidrosfera



                                       Consumidores

   Combustión                                                                  CO2 disuelto

                                         Restos orgánicos              Ecosistemas acuáticos

       Extracción
                                                                             Rocas calizas
Combustibles                                                                 Carbonatadas
                                Descomponedores
   fósiles      Enterramiento                                              Y silicatos cálcicos
                  geológico
LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS


               El ciclo del CARBONO
•   El principal depósito es la atmósfera
•   El ciclo biológico del C  es la propia Biosfera quien controla los
    intercambios de este elemento con la atmósfera …
•   Se fija por la fotosíntesis y el intercambio por difusión directa con la hidrosfera
•   Se devuelve a la atmósfera por la respiración de seres vivos
•   El ciclo biológico moviliza cada año el 5 % del CO2 atmosférico  en 20 años
    se renueva totalmente ….
•    Sumideros fósiles:
     – Almacén de Carbono
     – La materia orgánica sepultada y en ausencia de oxígeno  fermentaciones
       bacterianas que la transforman en carbones y petróleos
     – Esto supone una rebaja importante de los niveles de dióxido de C en la atmósfera
•   El retorno del CO2 almacenado durante millones de años por erupciones
    volcánicas, a la atmósfera
LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS


            El ciclo del CARBONO
                                      ROCAS CARBONATADAS

    CO2     +       H2O        +     CaCO3            Ca2+   +    2HCO3-             1


                                        ROCAS SILICATADAS

    2CO2    +        H2O           + CaSiO3           Ca2+   + 2HCO3-      +    SiO2     2


   En el mar, los animales marinos transforman el bicarbonato y los iones de Calcio
                en carbonato que incorporan en sus tejidos endurecidos



   2HCO3-       +       Ca2+                  CaCO3     +        CO2   +       H2O       3

                                               El carbonato formará parte de los sedimentos
                    1     +    3
Balances                                       No hay pérdidas netas del dióxido atmosférico
                    2     +    3              Sólo devuelven a la atmósfera 1 CO2  sumideros
LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS


              El ciclo del FÓSFORO
  Sedimentos y rocas sedimentarias                                FOSFATOS

                                Descomponedores


                   Consumidores                            Productores
                                                   ura
                                            ic ult
                                        r
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                   no
               A bo



             Excrementos        Colonias de aves marinas
GUANO                              en la costa pacífica           Retorno a tierra
                                     de Sudamérica
LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS


             El ciclo del FÓSFORO
•   El P no se presenta en forma gaseosa, no puede tomarse del aire
•   La mayoría está inmovilizado en los sedimentos oceánicos
•   Se libera muy lentamente, por meteorización de rocas fosfatadas
•   Principal factor limitante  recurso no renovable
•   Fosfatos liberados por rocas fosfatadas y cenizas volcánicas son
    transportadas por aguas corrientes hasta lagos o el mar  precipitan y
    forman los almacenes sedimentarios
•   Tiempo de permanencia en ecosistemas terrestres: 100 a 10.000 años
•   Tiempo de permanencia en los ecosistemas acuáticos: 1 a 10 años
•   El hombre elabora abonos utilizando las reservas minerales en rocas
    sedimentarias.
•   El P es poco abundante en los seres vivos (1 % en animales y 0’2 % en
    vegetales) pero importante:
     – Huesos, caparazones
     – ATP, ADN y ARN, NADP, NADPH
LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS


         El ciclo del NITRÓGENO
Erupciones
                                 N2 atmosférico                                Fijación
volcánicas


        Descomponedores                                 Biológica      atmosférica        Industrial



Consumidores               Productores
                                                                                            Medio
                                                                    NITRATOS               acuático
                                                         s
                                                   ca nte                 Disolución y
   Procesos de putrefacción de                 i
    la materia orgánica muerta        n   itrif                            transporte
                                 rias
                             cte
                          Ba
               NH3

                                                         Bacterias desnitrificantes
LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS


           El ciclo del NITRÓGENO
•   El nitrógeno libre forma el 78 % de la atmósfera
•   El nitrógeno inerte es prácticamente inaccesible para la mayoría de los
    seres vivos.
•   Otros componentes atmosféricos: NH3 , de las emanaciones
    volcánicas, y Nox que se forman en las tormentas eléctricas
•   Fijación industrial: por el método Haber-Bosch: se pasa del N 2 a
    formas activas de forma parecida a la fijación atmosférica y a la
    combustión a altas temperaturas  amoníaco y fertilizantes
•   Fijación atmosférica: tormentas eléctricas
•   Fijación biológica: bacterias y hongos que transforman el N 2
    atmosférico en nitratos disponibles para las plantas:
     – Bacterias: Azotobacter (suelo), cianobacterias (fitoplancton) y Rhizobium
       (simbiosis en las raíces de leguminosas)
     – Hongos: gen. Frankia, actinomiceto que forma nódulos radiculares con
       árboles como el aliso
     – La mayor parte del nitrógeno disponible para los seres vivos (93 %)
       procede de la actividad de los descomponedores
LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS


            El ciclo del NITRÓGENO
•   NITRIFICACIÓN: reacciones químicas de formación de nitratos
•   Una de ellas es la fijación biológica
•   Otra, a partir del amoníaco con intervención de las bacterias
    nitrificantes:

             Nitrosomonas                   Nitrobacter
      NH3                           NO 2
                                        -
                                                                  NO3-


•   Las bacterias desnitrificantes empobrecen el suelo en nitrógeno
•   Actúan cuando el suelo se encharca  condiciones anaeróbicas
•   También actúan cuando el suelo sufre un pisoteo excesivo.
    (sobrepastoreo)


            Las erupciones volcánicas emiten a la atmósfera Nitrógeno gaseoso,
                    amoniaco y óxidos de nitrógeno (especialmente NO)
LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS


                 El ciclo del NITRÓGENO
              Procesos
           de combustión
                                                                     Reacción de N2 y O2
               a altas                   motores
            temperaturas
                                                                + vapor
                                                                de agua
Nitratos                Lluvia ácida            Ácido nítrico                  NO2
              Suelo




            Fijación industrial             Liberación de                       Potente gas
                                             Liberación de                        de efecto
                     y                         N2O a la
                                                N2O a la                        invernadero
           abonado excesivo                   atmósfera
                                               atmósfera

    Fertilización excesiva
                                                                               Eutrofización
                                          Escasez de otros nutrientes:          del medio
 Aumenta el crecimiento vegetal              calcio, magnesio, etc               acuático
LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS


                    El ciclo del AZUFRE
 Erupciones volcánicas                        H2S a la atmósfera

      Quema de
                                              SO2 a la atmósfera                               H2SO4
   combustibles fósiles
                                                                      SO3

          Consumidores                              Productores
                                                                                     ida
                            S
                          DM

                                                                               á   c
                                                                         via
                           s
                        ga




                                                                     Llu
                      Al




                   H2S                             Suelos: SO42-
                               Bacteria
                                        s   sulfator
                                                    reducto              Sulfatos: SO42-
                                                            r   as


                                                                                           precipitación
          Sulfuros de Fe
       Carbones y petróleos
Pizarras y otras rocas con sulfuros
                                                                                       Yesos
LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS



•
                    El de sulfatos esdel AZUFRE
    El principal almacén
                         ciclo la hidrosfera.
•   La transferencia entre la tierra y el océano es bastante lenta
•   Por evaporación de lagos y mares poco profundos los sulfatos se depositan
    formando yesos
•   Los sulfatos son abundantes en los suelos, se pierden por lixiviado, pero son
    repuestos por las lluvias
•   Sólo plantas, bacterias y hongos incorporan directamente el sulfato
     – SO42-  SO3  H2S utilizable en la biosíntesis vegetal
•   Al morir los seres vivos liberan el sulfuro de hidrógeno a los demás subsistemas
    terrestres
•   En océanos profundos y lugares pantanosos el sulfato, en ausencia de oxígeno,
    se reduce a H2S liberando oxígeno para la respiración de otros seres vivos
•   El sulfuro puede alcanzar lugares oxigenados donde forma de nuevo sultato,
    mediante proceso fotosintético o quimiosintético, en presencia o ausencia de
    luz y por la acción de bacterias quimiosintéticas
•   Los sulfuros pueden precipitar en forma de piritas. Pueden ser atrapados en
    sedimentos arcillosos, carbones y petróleos

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Circulación y ciclos en la biosfera

  • 1. UNIDAD 4: CIRCULACIÓN DE MATERIA Y ENERGÍA EN LA BIOSFERA * Introducción * Relaciones tróficas * El ciclo de materia y flujo de energía * Las pirámides ecológicas * Factores limitantes de la producción primaria * Los ciclos biogeoquímicos
  • 2. INTRODUCCIÓN Es el conjunto formado por todos los Biosfera seres vivos que habitan la Tierra. Sistema abierto Se producen entradas y salidas de materia y energía
  • 3. INTRODUCCIÓN Es un sistema natural integrado por componentes Ecosistema vivos y no vivos que interactúan entre sí. Biocenosis ECOSISTEMA Se compone por Biotopo Biocenosis o comunidad Biotopo Parte abiótica del vivos que conviven en el Conjunto de seres ecosistema: humedad, temperatura, que se relacionan entre ellos ecosistema y gases, salinidad,…
  • 4. INTRODUCCIÓN La biosfera es la biocenosis de la ecosfera Es el conjunto formado por todos los ecosistemas de Ecosfera la Tierra, o sea, es el gran ecosistema planetario. Sistema cerrado Se producen entradas y salidas de energía, pero no de materia
  • 5. INTRODUCCIÓN Biomas Son los diferentes ecosistemas que hay en la Tierra Zona climática: Zona climática: Templada Fría Templada Fría Zona climática: Zona climática: Cálida Cálida ESTEPA DESIERTO FRÍO BOSQUE TUNDRA TAIGA MEDITERRÁNEO CADUCIFOLIO DESIERTO BOSQUE SABANA ECUATORIAL TROPICAL CÁLIDO
  • 6. RELACIONES TRÓFICAS Relaciones Representan el mecanismo de transferencia energética de tróficas unos organismos a otros en forma de alimento. Se re pr es en ta n m ed ian te CADENAS TRÓFICAS están formada por una serie de organismos de un ecosistema ordenados linealmente y en la cual, cada individuo come al que le precede. NIVELES TRÓFICOS productores, consumidores y descomponedores
  • 7. RELACIONES TRÓFICAS CADENAS TRÓFICAS están formada por una serie de organismos de un ecosistema ordenados linealmente y en la cual, cada individuo come al que le precede. ¿Qué cadena trófica podemos obtener observando la figura? PLANTA ACUÁTICA SALTAMONTES RANA ZORRO
  • 8. RELACIONES TRÓFICAS NIVELES TRÓFICOS PRODUCTORES: Son autótrofos (capaces de convertir materia inorgánica en CONSUMIDORES: Heterótrofos orgánica) (utilizan la materia orgánica producida por los autótrofos) CONSUMIDOR SECUNDARIO CONSUMIDOR PRIMARIO DESCOMPONEDORES: Son heterótrofos que descomponen restos orgánicos hasta materia útil para los productores
  • 9. RELACIONES TRÓFICAS NIVELES TRÓFICOS Productores Primer nivel trófico Se dividen en Fotosintéticos Quimiosintéticos Dependen de la luz, son Dependen de la luz, son Independientes de la luz, son Independientes de la luz, son las algas, las plantas, las las algas, las plantas, las bacterias autótrofas. Obtienen bacterias autótrofas. Obtienen cianobacterias yyalgunas cianobacterias algunas energía de la oxidación de energía de la oxidación de bacterias bacterias moléculas inorgánicas moléculas inorgánicas (compuestos del S, N o Fe) (compuestos del S, N o Fe) Glucosa
  • 10. RELACIONES TRÓFICAS NIVELES TRÓFICOS Productores Se usa para Usarla por los fotosintéticos en Se almacena en los tejidos la respiración vegetales y puede ser transferida al resto de niveles tróficos
  • 11. RELACIONES TRÓFICAS NIVELES TRÓFICOS Consumidores Heterótrofos que usan la materia orgánica Consumidores primarios o herbívoros: Se producida por los autótrofos, de forma alimentan de los productores y son el 2º nivel directa o indirecta para realizar sus trófico funciones vitales por mecanismos respiratorios Consumidores secundarios o carnívoros: Son el tercer nivel trófico y se alimentan de herbívoros Carnívoros finales: Se alimentan de los carnívoros y constituyen el 4º nivel
  • 12. RELACIONES TRÓFICAS NIVELES TRÓFICOS Consumidores Por lo general cada organismo de un ecosistema se alimenta de diversas fuentes. Una RED TRÓFICA es el conjunto de cadenas tróficas interconectadas que pueden establecerse en el ecosistema. Omnívoros: Senecrófagos: Se alimentan de cadáveres Saprofitos o o alimentan de más de un nivel trófico y es Carroñeros detritívoros: Consumen todo tipo de detritus un carácter adaptativo que garantiza la supervivencia
  • 13. RELACIONES TRÓFICAS NIVELES TRÓFICOS Descomponedores Heterótrofos de un tipo especial de detritívoros que transforman la materia orgánica en inorgánica útil para los productores Materia Materia orgánica orgánica PRODUCTORES DESCOMPONEDORES Materia Materia inorgánica inorgánica
  • 14. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA Ecosistemas Sigue n prin cipio s de SOSTENIBILIDAD NATURAL Reciclan la materia al máximo obteniendo nutrientes que no se escapen y sin producir desechos no utilizables Usan la luz solar como fuente de energía
  • 15. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA Se transmiten en los Materia y Relaciones alimentarias entre energía ecosistemas por organismos Flujo de energía (abierto) El reciclado de la materia (cerrado)
  • 16. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA El reciclado de la materia (cerrado) BIODEGRADABLE Es Materia Materia orgánica orgánica Vía aerobia DESCOMPONEDORES Lo pueden hacer por Vía anaerobia Materia Materia inorgánica inorgánica Vuelve a ser utilizada por los productores Se recicla y no se pierde
  • 17. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA El reciclado de la materia (cerrado) El ciclo de la materia tiende a ser cerrado A veces los nutrientes se escapan de la biosfera por: Gasificación: Hacia la atmósfera Lixiviado: Lavado y arrastre de los materiales solubles del suelo Transformación en combustibles: Se almacenan en la litosfera
  • 18. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA Flujo de energía (abierto) La energía solar entra mediante fotosíntesis en las cadenas tróficas Pasa de unos eslabones a otros mediante el alimento Sale en forma de calor El flujo de energía es abierto Flujo abierto y unidireccional
  • 19. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA Flujo de energía (abierto) Regla del 10%: La energía Se cumple la primera ley de la termodinámica: que pasa de un nivel trófico es La energía entrante en la cadena trófica = Energía aproximadamente el 10% de la acumulada en cada nivel en forma de biomasa + Calor acumulada en el desprendido La disminución del flujo de energía hace que el nº de eslabones tróficos sea reducido (no más de 5)
  • 20. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA Parámetros tróficos Biomasa (B) Son medidas para Producción (P) evaluar la rentabilidad de cada nivel trófico o Productividad de un ecosistema Tiempo de renovación Eficiencia
  • 21. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA Parámetros tróficos Cantidad de materia orgánica de un nivel trófico o de un ecosistema Biomasa (B) Incluye Se mide M.O. viva Con unidades de masa (kg, g, mg,..) Fitomasa o con unidades de energía (1 g de Zoomasa materia orgánica = 4 o 5 kcal) M.O. muerta o necromasa Se calcula haciendo referencia a su cantidad por área o volumen (g C/cm2 , kg C/m2, …) Es la manera que tiene la biosfera de almacenar energía solar
  • 22. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA Parámetros tróficos Biomasa (B) En forma de biomasa es como se transfiere la energía de unos niveles a otros a lo largo de la cadena trófica.
  • 23. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA Parámetros tróficos Representa la cantidad de energía que Producción (P) fluye por cada nivel trófico Se expresa como Producción primaria Se g C/m · día, kcal/ha · año,… 2 divide Energía fijada por los Energía fijada por los en organismos autótrofos 1 J = 0,24 cal organismos autótrofos Vatio (J/s) Producción secundaria Corresponde al resto Corresponde al resto de niveles tróficos de niveles tróficos
  • 24. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA PRODUCCIÓN BRUTA (Pb) Parámetros tróficos Energía fijada en cada nivel trófico por unidad de tiempo Producción (P) Productores  total fotosintetizado/ día o año Producción primaria Consumidores  alimento asimilado/alimento ingerido Producción secundaria En ambos casos hay que diferenciar PRODUCCIÓN NETA (Pn) Energía almacenada en cada nivel trófico por unidad de tiempo Representa el aumento de biomasa por unidad de tiempo Se obtiene restando a la Pb la energía consumida en el proceso respiratorio de automantenimiento Pn = Pb - R
  • 25. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA Parámetros tróficos Producción (P) Energía solar Respiración Respiración Respiración Pb Pn Pb Pn Productores PPn de los carnívoros PPb herbívoros Energía no E no utilizada E no Calor Energía no asimilada asimilada Descom- utilizada ponedores
  • 26. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA Parámetros tróficos Producción (P) • Primer nivel. • Resto de los niveles. – Sólo entre un 2 y un 5 % de la energía – Sólo el 10% de la energía acumulada por solar incidente es aprovechada por la los productores en forma de biomasa se fotosíntesis y transformada en materia transfiere a los herbívoros. Se pierde orgánica. energía en forma de calor y con las heces.
  • 27. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA Parámetros tróficos Relación entre la producción neta (cantidad de energía almacenada por unidad de Productividad tiempo) y la biomasa (materia orgánica total) Pn/B Conocida como tasa de renovación Mide la velocidad con que se renueva la biomasa Período que tarda en renovarse un nivel Tiempo de renovación trófico o sistema B/Pn Se mide en Días, años,…
  • 28. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA Parámetros tróficos Representa el rendimiento de un nivel trófico o de un sistema y se calcula con el cociente Eficiencia salidas/entradas Se valora desde deferentes tipos de vista Eficiencia de los productores Energía asimilada/energía incidente < 2% (corresponde a la producción bruta) < 2% (corresponde a la producción bruta) Pn/Pb Cantidad de energía incorporada respecto al total asimilado 10 – 40% en el fitoplacton >50% vegetación terrestre 10 – 40% en el fitoplacton >50% vegetación terrestre En consumidores Pn/alimento total ingerido o engorde/alimento ingerido
  • 29. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA Parámetros tróficos Fracción de la producción neta de un determinado nivel que se convierte en producción neta del nivel siguiente Eficiencia ecológica (PN/PN del nivel anterior) · 100 Teniendo en cuenta la regla del 10 % es más rentable (eficiente) alimentarse del primer nivel ya que se aprovecha más la energía y se puede alimentar a un mayor número de individuos. (Referencia al vegetarianismo como movimiento ecológico).
  • 30. RESUMEN PARÁMETROS TRÓFICOS PRODUCTIVIDAD TIEMPO DE EFICIENCIA BIOMASA PRODUCCIÓN Tasa de renovación RENOVACIÓN La cantidad de energía Es el tiempo que tarda Cantidad de Materia almacenada por Energía por en renovarse un nivel trófico Orgánica unidad de tiempo cada nivel trófico o un ecosistema Por nivel trófico o en un en todo el ecosistema eslabón o ecosistema Se puede medir en en relación con días, años, ... SECUNDARIA la materia orgánica total Niveles consumidores PRIMARIA Nivel de productores El porcentaje de energía Pn / B B / Pn que es transferida desde un g C/m2 . día nivel trófico al siguiente g C/cm2 Kcal/ha . año kg C/m2 Es la parte tm C/ha de la producción neta de un determinado P. BRUTA P. NETA nivel trófico que se convierte en Pn/Pn del nivel anterior . 100 Pn del nivel siguiente Energía fijada Energía almacenada Pn/Pb . 100 Mide la cantidad de energía por unidad de tiempo por unidad de tiempo incorporada a un nivel trófico respecto del total asimilado Pn = Pb - R
  • 31. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA Parámetros tróficos Observa el siguiente dibujo en el que se expresa el destino de la energía de los alimentos en kilocalorias en el caso de un herbívoro durante un día. • a) Calcula la producción bruta, la producción neta, la eficiencia y la productividad, teniendo en cuenta que la vaquita pesa 500 kg. • b) Si “ al aumentar la produccion bruta de un individuo, aumenta su producción neta; al aumentar ésta, aumenta la biomasa; pero al aumentar la biomasa, aumenta la respiración; y al aumentar ésta última, disminuye la producción neta”. Dibuja y explica el diagrama causal y aplícalo al caso de esta vaquita.
  • 32. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA El problema ambiental de la bioacumulación http://cienciassobrarbe.wordpress.com/2011/05/19/bioacumulacion/ Energía solar Materia inorgánica Productores Consumidores Consumidores Consumidores primarios secundarios terciarios Descomponedores Los contaminantes del medio ingresan en las cadenas tróficas y se transfieren junto con la materia y la energía de unos a otros niveles
  • 33. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA El problema ambiental de la bioacumulación Proceso de acumulación de sustancias tóxicas o de compuestos orgánicos sintéticos, en organismos vivos, Bioacumulación en concentraciones cada vez mayores y superiores a las registradas en el medio ambiente. Ocurre cuando las sustancias ingeridas no pueden ser descompuestas ni excretadas Se mide por el factor de bioconcentración: Relación entre la concentración en el organismo y el aire o agua circundante La sustancia puede provenir del La vía de entrada puede ser suelo, aire, agua o seres vivos digestiva, respiratoria o cutánea Al no metabolizarse se acumula Altas concentraciones causan lesiones o la muerte y la en grasas y órganos internos concentración se eleva al subir en la cadena trófica
  • 34. CICLO DE MATERIA Y FLUJO DE ENERGÍA El problema ambiental de la bioacumulación A la vista del siguiente gráfico, calcular la concentración de PCBs (Policloruros de bifenilo) en las gambas y en las gaviotas del lago Ontario, teniendo en cuenta que se presentan los factores de bioconcentración de cada una de las especies en la cadena alimentaria.
  • 35. LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS Representan gráficamente como varía una característica entre los diferentes niveles tróficos Cada nivel se representa por un piso de la pirámide consumidores terciarios La base es el nivel de los consumidores secundarios productores y encima están por orden los demás niveles consumidores primarios La altura de los pisos es igual productores y la anchura es proporcional a la característica que se representa (energía acumulada, biomasa o nº de individuos)
  • 36. 3 LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS Tipos de pirámides tróficas Pirámide de energía Pirámides de biomasa Pirámides de números
  • 37. LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS Pirámides de energía • Cada piso de la pirámide representa la energía almacenada por cada nivel trófico • Es la única que nunca puede ser invertida, pues ningún nivel puede tener menos energía que el siguiente al que sustenta (regla del 10%)
  • 38. LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS Pirámides de biomasa • En cada piso se representa a biomasa (cantidad de materia orgánica) • Lo normal es que al ascender los pisos sean menores, ya que la materia orgánica se usa para producir energía (regla del 10%)
  • 39. LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS Pirámides de biomasa • En ecosistemas terrestres la biomasa de los consumidores primarios es muy pequeña al compararla la de los productores (grandes diferencias en los niveles)
  • 40. LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS Pirámides de biomasa • En algunos ecosistemas acuáticos pueden darse casos de pirámides de biomasa invertidas • En estos casos biomasa de los productores es menor, pero crecen y se reproducen con rapidez
  • 41. LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS Pirámides de números • En cada piso se representa el nº total de individuos
  • 42. LAS PIRÁMIDES ECOLÓGICAS Pirámides de números • No tienen en cuenta el tamaño del individuo • Puede haber pirámides invertidas
  • 44. FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA Constituyen la base de las Producción primaria cadenas tróficas Se puede Energía fijada por los Energía fijada por los aumentar organismos autótrofos organismos autótrofos Para conseguir más alimentos controlando es necesario su incremento sus Ley del mínimo de LIEBEG: Factores limitantes El crecimiento de una especie vegetal se ve limitado por el único elemento que se encuentra en una cantidad inferior a la mínima necesaria y que actúa como factor limitante Factor del medio (luz, Tª, humedad) o elemento (P,N,Ca, K,…) que escasea en el medio, y que limita el crecimiento de los seres vivos
  • 45. FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA Energía necesaria en la fotosíntesis Se diferencian en Energía interna Cantidad de luz solar utilizada (0,06 - 0,09 % del total incidente) Energías externas También necesarias para la producción primaria Energías de procedencia solar, Aportadas por seres humanos, las ENERGÍAS EXTERNAS: ENERGÍAS DE APOYO Y AUXILIARES: Ciclo del agua, vientos, Maquinaria, riego, invernaderos, desplazamientos de aguas, plaguicidas, abonos químicos, variaciones de temperatura, selección de semillas, lluvias, movimientos de nutrientes combustibles fósiles,..
  • 46. FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA Limitan la producción primaria en áreas continentales Si aumentan aumenta la producción primaria Temperatura y humedad Factores limitantes de la Falta de nutrientes producción primaria Luz y disposición de las unidades fotosintéticas Un aumento incrementa la producción, pero si aumenta en exceso decrece bruscamente. Ya que las enzimas fotosintéticas se desnaturalizan.
  • 47. FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA Temperatura y humedad RuBisCO (ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa oxigenasa) [O2] 21% [CO2] 0,03% [O2] > 21% y/o [CO2] < 0,03% Esta enzima se ve condicionada también por las concentraciones de oxígeno y dióxido de carbono.
  • 48. FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA Temperatura y humedad Atmósfera: 21 % de O2 y 0’03 % CO2 CO2 RuBisCo Fotosíntesis H2O Formación de materia orgánica y desprendimiento de oxígeno
  • 49. FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA Temperatura y humedad Si bajan los niveles de CO2 y suben los niveles de O2 O2 Fotorrespiración RuBisCo No se forma materia orgánica Proceso parecido a la respiración Se consume oxígeno y se Ocurre en presencia de luz desprende CO2 a la vez que la fotosíntesis, que se ralentiza Disminuye la eficiencia fotosintética El proceso sigue hasta equilibrar los niveles de Se rebaja la producción de materia ambos gases orgánica
  • 50. FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA Temperatura y humedad PLANTAS C3 Según ocurran los Según ocurran los procesos de fotosíntesis yy procesos de fotosíntesis fotorrespiración las plantas fotorrespiración las plantas de dividen de dividen PLANTAS C4 Según el nº de C que contiene el primer compuesto sintetizado en su proceso fotosintético
  • 51. FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA Temperatura y humedad PLANTAS C3 Se cierran Pierden mucho agua los estomas SEQUÍA a través de los estomas Aumenta el oxígeno Ningún problema Fotorrespiración Disminuye el CO2 en climas húmedos Se reduce la eficiencia fotosintética
  • 52. FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA Temperatura y humedad PLANTAS C4 Mecanismo que les permite Cactus y Adaptaciones bombear el CO2 plantas del desierto morfológicas y acumularlo en sus hojas Mecanismo CAM Evitan la fotorrespiración Cierran los estomas durante el día Fijan el CO2 durante la noche Fotosíntesis con el almacenado Mayor producción de materia orgánica durante el día
  • 53. FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA Temperatura y humedad Adaptaciones si la temperatura una parte del año es baja Predominio de las plantas herbáceas Estructuras hibernantes subterráneas: Bulbos, tubérculos, rizomas Fotoperiodo: Época de máximo desarrollo de hojas y flores
  • 54. FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA Falta de nutrientes La eficiencia fotosintética depende de la presencia de ciertos nutrientes Su presencia depende de los mecanismos de reciclado, que dependen de las energías externas El CO2 no lo es El N le sigue en importancia El P es el principal
  • 55. FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA Falta de nutrientes Productores descomponedores En ecosistemas marinos A mayor distancia  más energías externas Zonas de afloramiento En ecosistemas terrestres Distancia entre productores y descomponedores menores
  • 56. FACTORES LIMITANTES DE LA PRODUCCIÓN PRIMARIA Luz y disposición de las unidades fotosintéticas Salvo en las profundidades oceánicas, no es muy común que la falta de luz sea un factor limitante, pero la propia estructura del aparato fotosintético de los cloroplastos es un factor limitante. Los fotosistemas (sistemas de captación) se hacen sombra Los fotosistemas tiene varias unidades de captación (clorofilas y carotenos) pero solo un centro de reacción Al aumentar la intensidad lumínica aumenta la producción primaria, pero a un determinado nivel se satura ya que el centro de reacción actúa a modo de cuello de botella
  • 57. LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS Camino que sigue la materia que escapa de la biosfera hacia otros subsistemas terrestres (A, H, L) antes de retornar a la B. El tiempo de permanencia de los elementos en los distintos subsistemas es muy variable. Se llama reserva o almacén al lugar donde la permanencia es máxima. Los ciclos tienden a ser cerrados. Las actividades humanas ocasionan apertura y aceleración de los ciclos contraviniendo el principio de sostenibilidad de reciclar al máximo la materia. Esto origina que se escapen nutrientes y se produzcan desechos
  • 58. LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS El ciclo del CARBONO Erupciones volcánicas CO2 atmosférico Ciclo de la rocas c ió n Re spira Fotosíntesis Difusión directa: Productores paso a la hidrosfera Consumidores Combustión CO2 disuelto Restos orgánicos Ecosistemas acuáticos Extracción Rocas calizas Combustibles Carbonatadas Descomponedores fósiles Enterramiento Y silicatos cálcicos geológico
  • 59. LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS El ciclo del CARBONO • El principal depósito es la atmósfera • El ciclo biológico del C  es la propia Biosfera quien controla los intercambios de este elemento con la atmósfera … • Se fija por la fotosíntesis y el intercambio por difusión directa con la hidrosfera • Se devuelve a la atmósfera por la respiración de seres vivos • El ciclo biológico moviliza cada año el 5 % del CO2 atmosférico  en 20 años se renueva totalmente …. • Sumideros fósiles: – Almacén de Carbono – La materia orgánica sepultada y en ausencia de oxígeno  fermentaciones bacterianas que la transforman en carbones y petróleos – Esto supone una rebaja importante de los niveles de dióxido de C en la atmósfera • El retorno del CO2 almacenado durante millones de años por erupciones volcánicas, a la atmósfera
  • 60. LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS El ciclo del CARBONO ROCAS CARBONATADAS CO2 + H2O + CaCO3 Ca2+ + 2HCO3- 1 ROCAS SILICATADAS 2CO2 + H2O + CaSiO3 Ca2+ + 2HCO3- + SiO2 2 En el mar, los animales marinos transforman el bicarbonato y los iones de Calcio en carbonato que incorporan en sus tejidos endurecidos 2HCO3- + Ca2+ CaCO3 + CO2 + H2O 3 El carbonato formará parte de los sedimentos 1 + 3 Balances No hay pérdidas netas del dióxido atmosférico 2 + 3 Sólo devuelven a la atmósfera 1 CO2  sumideros
  • 61. LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS El ciclo del FÓSFORO Sedimentos y rocas sedimentarias FOSFATOS Descomponedores Consumidores Productores ura ic ult r n ag oe ad fat fos Ecosistemas acuáticos no A bo Excrementos Colonias de aves marinas GUANO en la costa pacífica Retorno a tierra de Sudamérica
  • 62. LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS El ciclo del FÓSFORO • El P no se presenta en forma gaseosa, no puede tomarse del aire • La mayoría está inmovilizado en los sedimentos oceánicos • Se libera muy lentamente, por meteorización de rocas fosfatadas • Principal factor limitante  recurso no renovable • Fosfatos liberados por rocas fosfatadas y cenizas volcánicas son transportadas por aguas corrientes hasta lagos o el mar  precipitan y forman los almacenes sedimentarios • Tiempo de permanencia en ecosistemas terrestres: 100 a 10.000 años • Tiempo de permanencia en los ecosistemas acuáticos: 1 a 10 años • El hombre elabora abonos utilizando las reservas minerales en rocas sedimentarias. • El P es poco abundante en los seres vivos (1 % en animales y 0’2 % en vegetales) pero importante: – Huesos, caparazones – ATP, ADN y ARN, NADP, NADPH
  • 63. LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS El ciclo del NITRÓGENO Erupciones N2 atmosférico Fijación volcánicas Descomponedores Biológica atmosférica Industrial Consumidores Productores Medio NITRATOS acuático s ca nte Disolución y Procesos de putrefacción de i la materia orgánica muerta n itrif transporte rias cte Ba NH3 Bacterias desnitrificantes
  • 64. LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS El ciclo del NITRÓGENO • El nitrógeno libre forma el 78 % de la atmósfera • El nitrógeno inerte es prácticamente inaccesible para la mayoría de los seres vivos. • Otros componentes atmosféricos: NH3 , de las emanaciones volcánicas, y Nox que se forman en las tormentas eléctricas • Fijación industrial: por el método Haber-Bosch: se pasa del N 2 a formas activas de forma parecida a la fijación atmosférica y a la combustión a altas temperaturas  amoníaco y fertilizantes • Fijación atmosférica: tormentas eléctricas • Fijación biológica: bacterias y hongos que transforman el N 2 atmosférico en nitratos disponibles para las plantas: – Bacterias: Azotobacter (suelo), cianobacterias (fitoplancton) y Rhizobium (simbiosis en las raíces de leguminosas) – Hongos: gen. Frankia, actinomiceto que forma nódulos radiculares con árboles como el aliso – La mayor parte del nitrógeno disponible para los seres vivos (93 %) procede de la actividad de los descomponedores
  • 65. LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS El ciclo del NITRÓGENO • NITRIFICACIÓN: reacciones químicas de formación de nitratos • Una de ellas es la fijación biológica • Otra, a partir del amoníaco con intervención de las bacterias nitrificantes: Nitrosomonas Nitrobacter NH3 NO 2 - NO3- • Las bacterias desnitrificantes empobrecen el suelo en nitrógeno • Actúan cuando el suelo se encharca  condiciones anaeróbicas • También actúan cuando el suelo sufre un pisoteo excesivo. (sobrepastoreo) Las erupciones volcánicas emiten a la atmósfera Nitrógeno gaseoso, amoniaco y óxidos de nitrógeno (especialmente NO)
  • 66. LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS El ciclo del NITRÓGENO Procesos de combustión Reacción de N2 y O2 a altas motores temperaturas + vapor de agua Nitratos Lluvia ácida Ácido nítrico NO2 Suelo Fijación industrial Liberación de Potente gas Liberación de de efecto y N2O a la N2O a la invernadero abonado excesivo atmósfera atmósfera Fertilización excesiva Eutrofización Escasez de otros nutrientes: del medio Aumenta el crecimiento vegetal calcio, magnesio, etc acuático
  • 67. LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS El ciclo del AZUFRE Erupciones volcánicas H2S a la atmósfera Quema de SO2 a la atmósfera H2SO4 combustibles fósiles SO3 Consumidores Productores ida S DM á c via s ga Llu Al H2S Suelos: SO42- Bacteria s sulfator reducto Sulfatos: SO42- r as precipitación Sulfuros de Fe Carbones y petróleos Pizarras y otras rocas con sulfuros Yesos
  • 68. LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS • El de sulfatos esdel AZUFRE El principal almacén ciclo la hidrosfera. • La transferencia entre la tierra y el océano es bastante lenta • Por evaporación de lagos y mares poco profundos los sulfatos se depositan formando yesos • Los sulfatos son abundantes en los suelos, se pierden por lixiviado, pero son repuestos por las lluvias • Sólo plantas, bacterias y hongos incorporan directamente el sulfato – SO42-  SO3  H2S utilizable en la biosíntesis vegetal • Al morir los seres vivos liberan el sulfuro de hidrógeno a los demás subsistemas terrestres • En océanos profundos y lugares pantanosos el sulfato, en ausencia de oxígeno, se reduce a H2S liberando oxígeno para la respiración de otros seres vivos • El sulfuro puede alcanzar lugares oxigenados donde forma de nuevo sultato, mediante proceso fotosintético o quimiosintético, en presencia o ausencia de luz y por la acción de bacterias quimiosintéticas • Los sulfuros pueden precipitar en forma de piritas. Pueden ser atrapados en sedimentos arcillosos, carbones y petróleos