Transcript Circulacion_de_materia_y_energia_en_la_biosfera_1

Circulación de
materia y energía en
la biosfera
Ecología y Ecosistemas
Ecosistema:
• Sistema abierto que intercambia materia y energía
• Sistema natural integrado por los componentes vivos y no vivos
que interactúan entre sí
Ecología: ciencia que estudia los ecosistemas
Aire
Luz
Temperatura
Sustrato
Agua
BIOCENOSIS o
COMUNIDAD
BIOTOPO
Medio físico
Poblaciones
de seres vivos
Ecosfera y Biomas
ECOSFERA:
• Es el gran ecosistema planetario
• Conjunto formado por todos los ecosistemas que constituyen la Tierra
La biocenosis de la ecosfera es
la BIOSFERA
Se considera sistema cerrado que
intercambia energía (solar y calor)
BIOMAS:
• Los grandes ecosistemas en que dividimos la ecosfera
• Los diferentes ecosistemas terrestres
Determinado por
las condiciones ambientales
de una región geográfica
Caracterizados por
un clima determinado
Poseen una flora
y una fauna asociadas
Ej: selva tropical,
desierto,
sabana, tundra, etc
Biosfera
La biocenosis de la Ecosfera
Conjunto de todos los seres vivos que habitan la Tierra
Sistema abierto que intercambia materia y energía
La materia que sale realiza un recorrido por los sistemas terrestres
dando lugar a los ciclos biogeoquímicos
Energía solar
Calor
BIOSFERA
Oxígeno, agua, CO2, P, N
Oxígeno, agua, CO2, P, N
ATMÓSFERA
HIDROSFERA
GEOSFERA
RELACIONES TRÓFICAS
Representan el mecanismo de transferencia de energía de
unos organismos a otros en forma de alimento
CADENAS
TRÓFICAS
Productores
Consumidores
Eslabones o NIVELES TRÓFICOS
descomponedores
Primer nivel trófico: PRODUCTORES
AUTÓTROFOS
FOTOSINTÉTICOS
Utilizan la energía solar
para la fotosíntesis
Plantas superiores
y fitoplancton
QUIMIOSINTÉTICOS
Bacterias autótrofas
que utilizan como
fuente de energía
la oxidación de
Acumulación moléculas inorgánicas:
en tejidos
•Compuestos de S
Transferencia a
•Compuestos de N
siguientes
•Fe
niveles tróficos
la materia orgánica sintetizada
Respiración celular
Transformación en calor
CONSUMIDORES
HETERÓTROFOS
Consumidores primarios
o herbívoros
Consumidores secundarios
o carnívoros
Consumidores terciarios
o carnívoros finales
OMNÍVOROS
Se alimentan de más de un nivel trófico
SAPRÓFITOS
O DETRITÍVOROS
Se alimentan de detritos
Niveles tróficos
DESCOMPONEDORES
Detritívoros que transforman
la materia orgánica en inorgánica
CARROÑEROS O
NECRÓFAGOS
Se alimentan
de cadáveres
Ciclo de materia y flujo de energía
Principio de sostenibilidad natural
Reciclar al máximo la materia
Acción de descomponedores:
bacterias y hongos
La materia mineral puede ser
utilizada de nuevo por las plantas
El ciclo de la materia tiende a ser cerrado
Escapes hacia la atmósfera (gasificación)
Lixiviado de materiales del suelo
Transformación en combustibles fósiles
Utilizar la luz solar como fuente de energía
Energía solar  energía química
Flujo de energía abierto y de sentido unidireccional
1ª Ley termodinámica:
la energía entrante es igual a la acumulada
en cada nivel en forma de materia orgánica +
la desprendida en forma de calor
La energía se degrada en la respiración
La energía útil disminuye
El número de eslabones es reducido
Los parámetros tróficos
Nos miden la rentabilidad de cada nivel trófico o del ecosistema completo
BIOMASA (B)
Cantidad de materia orgánica de un nivel trófico o de un ecosistema
Incluye:
M.O. viva
Fitomasa
Zoomasa
M.O. muerta o necromasa
En la biosfera la cantidad
de biomasa es insignificante
respecto de la necromasa
Se puede medir en:
Kg, g, mg,…
en unidades de energía:
1 g M.O. 4 o 5 KC
Es lo más frecuente
Se suele expresar
en cantidad por
unidad de área o
de volumen:
gC/cm2
kg C/m2
tm C/ha
LA PRODUCCIÓN (P)
P = representa la cantidad de energía que fluye por cada nivel trófico
Suele expresarse en g C/m2 . día; o Kcall/ha . año
PRODUCCIÓN PRIMARIA
Energía fijada por los autótrofos
PRODUCCIÓN SECUNDARIA
Energía fijada por los demás niveles tróficos
Pb PRODUCCIÓN BRUTA
Energía fijada por
unidad de tiempo
Productores  total fotosintetizado/ día o año
Consumidores 
alimento asimilado/alimento ingerido
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
Pn PRODUCCIÓN NETA
Energía almacenada
por unidad de tiempo
Regla del 10 %
La energía que pasa de un eslabón a otro
es aproximadamente el 10 % de la acumulada en él
Por esta razón,
el número de eslabones es muy limitado
Energía solar
Respiración
Productores
PPb
Calor
Respiración
Respiración
PPn
Energía no
utilizada
Pb
de los
herbívoros
Pn
Pb
carnívoros
Energía no E no utilizada
asimilada
Descomponedores
Pn
E no
asimilada
Productividad y tiempo de
renovación
Pn/B
PRODUCTIVIDAD
La cantidad de energía
almacenada por
unidad de tiempo
en un
eslabón o ecosistema
en relación con
la materia orgánica total
Conocida como tasa de renovación
Mide la velocidad con que
se renueva la biomasa
B/Pn
TIEMPO DE RENOVACIÓN
Es el tiempo que tarda
en renovarse un nivel trófico
o un ecosistema
Se puede medir en días, años, ...
Alta productividad
Tiempo de renovación corto
Eficiencia
EFICIENCIA ECOLÓGICA:
El porcentaje de energía que es transferida desde un nivel trófico al siguiente
El nº de eslabones de una cadena depende de la Producción Primaria (PP) y de la eficiencia
Pn/Pn del nivel anterior . 100
Eficiencia de los productores:
Energía asimilada/energía incidente
Valores < 2 %
La eficiencia ecológica es la parte
de la producción neta de un determinado
nivel trófico que se convierte en
Pn del nivel siguiente
Rentabilidad de los consumidores:
Pn/alimento total ingerido
Engorde/alimento ingerido
Eficiencia
Pn/Pb
Mide la cantidad de energía incorporada a un nivel trófico respecto del total asimilado
Así constatamos las pérdidas respiratorias
(del 10 al 40 % fitoplancton) (más del 50 % en la vegetación terrestre)
Es más eficiente una
alimentación a partir del primer
nivel trófico.
Se aprovecha mejor la energía y
se alimenta a más gente
RESUMEN
PARÁMETROS TRÓFICOS
BIOMASA
PRODUCCIÓN
Cantidad de Materia
Orgánica
Por nivel trófico o
en todo el ecosistema
PRODUCTIVIDAD
Tasa de renovación
Energía por
cada nivel trófico
SECUNDARIA
Niveles consumidores
La cantidad de energía
almacenada por
unidad de tiempo
en un
eslabón o ecosistema
en relación con
la materia orgánica total
PRIMARIA
Nivel de productores
Pn / B
g C/m2 . día
Kcal/ha . año
g C/cm2
kg C/m2
tm C/ha
P. BRUTA
TIEMPO DE
RENOVACIÓN
Es el tiempo que tarda
en renovarse un nivel trófico
o un ecosistema
B / Pn
P. NETA
Pn/Pn del nivel anterior . 100
Energía fijada
por unidad de tiempo
Energía almacenada
por unidad de tiempo
Pn = Pb - R
Pn/Pb . 100
EFICIENCIA
Se puede medir en
días, años, ...
El porcentaje de energía
que es transferida desde un
nivel trófico al siguiente
Es la parte
de la producción neta
de un determinado
nivel trófico que se
convierte en
Pn del nivel siguiente
Mide la cantidad de energía
incorporada a un nivel trófico
respecto del total asimilado
Las pirámides ecológicas
Cada superficie
es proporcional al
parámetro que esté
representado:
Energía acumulada
Biomasa
Nº de individuos
CONSUMIDORES
PRIMARIOS
PRODUCTORES
Pirámides de
energía:
Siguen la regla del
10 %
Pirámides de biomasa
En ecosistemas terrestres
grandes diferencias entre sus
niveles
Pueden ser invertidas
Pirámides de
números
Pueden resultar
invertidas
Factores limitantes de la
producción primaria
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
Ley del mínimo de LIEBEG:
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:
Los principales
factores
limitantes de la
producción primaria:
Humedad
Temperatura
Falta de nutrientes
Ausencia de luz
Energías externas, de
apoyo o auxiliares
Energía solar, se denomina la ENERGÍA INTERNA
La cantidad solar utilizada para la fotosíntesis es del 0’06 al 0’09 del total incidente
Energías necesarias para
la producción primaria
Energías de procedencia solar:
las ENERGÍAS EXTERNAS:
Ciclo del agua, vientos,
desplazamientos de aguas,
variaciones de temperatura,
lluvias, movimientos de nutrientes
Aportadas por seres humanos:
ENERGÍAS DE APOYO Y AUXILIARES:
Maquinaria, riego, invernaderos,
plaguicidas, abonos químicos,
selección de semillas,
combustibles fósiles,..
Humedad y Temperatura
Principales factores
limitantes:
Tª y humedad
En áreas continentales
Si la Tª es muy alta
se desnaturalizan proteínas
y decrece la PP
Atmósfera:
21 % de O2 y 0’003 % CO2
CO2
Fotosíntesis
RuBisCo
H2O
Formación de materia
orgánica y desprendimiento
de oxígeno
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
Ocurre en presencia de luz
A la vez que la fotosíntesis, que se ralentiza
El proceso sigue hasta
equilibrar los niveles de
ambos gases
Se consume oxígeno y se
desprende dióxido de C
Disminuye la eficiencia fotosintética
Se rebaja la producción de materia
orgánica
Adaptación de las plantas a condiciones de
humedad y eficiencia en el uso del agua
Plantas C3
Nº de átomos de C del primer compuesto sintetizado en la fotosíntesis
Trigo, patata, cebada, soja, arroz, tomate, algodón, judías, …
Pierden mucho agua
a través de los estomas
Ningún problema
en climas húmedos
SEQUÍA
Fotorrespiración
Se cierran
los estomas
Aumenta el oxígeno
Disminuye el CO2
Se reduce la eficiencia fotosintética
Adaptación de las plantas a condiciones de humedad y
eficiencia en el uso del agua
Plantas C4
Nº de átomos de C del primer compuesto sintetizado en la fotosíntesis
Maíz, caña de azúcar, sorgo, mijo,…
Mecanismo que les permite
bombear el CO2
y acumularlo en sus hojas
Cactus y
plantas del desierto
Adaptaciones
morfológicas
Mecanismo CAM
Evitan la fotorrespiración
Mayor producción de materia orgánica
Cierran los estomas durante el día
Fijan el CO2 durante la noche
Fotosíntesis con el almacenado
durante el día
Adaptaciones a las bajas
temperaturas
Predominio de las plantas herbáceas
Estructuras hibernantes subterráneas:
Bulbos, tubérculos, rizomas
Fotoperiodo:
Época de máximo desarrollo de hojas y flores
La 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
Productores
descomponedores
A mayor distancia  más energías
externas
El C
no lo es
El N le
sigue
en importancia
El P es el principal
Distancia entre productores y
descomponedores: el reciclado de materia
Océanos
Fotosíntesis en
la zona fótica:
unos 200 m
de profundidad
La descomposición de
materia orgánica
en los fondos
Difícil retorno
de nutrientes
que dificulta la PP
Energía externa:
el viento en la
superficie marina.
Se producen afloramientos
que arrastra los
nutrientes que necesita
el fitoplancton en la superficie
Distancia entre productores y
descomponedores: el reciclado de
materia
Plataformas costeras
Energías externas:
oleaje que agita los fondos
nutrientes arrastrados
por los ríos
Nutrientes arrastrados
por corrientes superficiales
Elevada Productividad
Ecosistemas terrestres
Menor gasto de energías externas
Las distancias entre Productores
y descomponedores son
mucho menores
20m copa árboles – suelo
0,1-0’5 m hierba – suelo
musgos y líquenes:
Se superponen
producción y descomposición
La luz y la disposición de las
unidades fotosintéticas
Luz
Factor limitante
Fondos oceánicos
La disposición de las unidades fotosintéticas es en sí mismo
un factor limitante
para el que no hay solución técnica
Los sistemas de captación
o fotosistemas,
se hacen sombra unos a otros.
Cada uno formado por
centenares de unidades de captación
y un solo centro de reacción:
clorofila en la que
la energía lumínica comienza
su transformación en energía química
Aumenta la
intensidad de
luz
Disminuye la PP
Aumenta la PP
Factor
limitante
sin
solución
Saturación
Aún más luz
(mediodía)
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
El ciclo del CARBONO
Erupciones volcánicas
CO2 atmosférico
Fotosíntesis
Ciclo de la rocas
Difusión directa:
paso a la hidrosfera
Consumidores
CO2 disuelto
Combustión
Restos orgánicos
Ecosistemas acuáticos
Extracción
Combustibles
fósiles
Enterramiento
geológico
Descomponedores
Rocas calizas
Carbonatadas
Y silicatos cálcicos
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, a la atmósfera
Paso del CO2 de la atmósfera a la
litosfera y su retorno
ROCAS CARBONATADAS
CO2
+
H2O
+
Ca2+
CaCO3
+
1
2HCO3-
Retorno
Desde
la litosfera
ROCAS SILICATADAS
2CO2 +
H2O
Ca2+
+ CaSiO3
+ 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+
+
1
+
CaCO3
3
Balances
2
+
3
+
CO2
+
H2O
3
El carbonato formará parte de los sedimentos
No hay pérdidas netas del dióxido atmosférico
Sólo devuelven a la atmósfera 1 CO2  sumideros
El ciclo del FÓSFORO
Sedimentos y rocas sedimentarias
FOSFATOS
Descomponedores
Consumidores
Productores
Ecosistemas acuáticos
Excrementos
GUANO
Colonias de aves marinas
en la costa pacífica
de Sudamérica
Retorno a tierra
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
El ciclo del NITRÓGENO
Erupciones
volcánicas
Fijación
N2 atmosférico
Descomponedores
Biológica
atmosférica
Industrial
Productores
Consumidores
NITRATOS
Procesos de putrefacción de la
materia orgánica muerta
Disolución y
transporte
NH3
Bacterias desnitrificantes
Medio
acuático
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 N2 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 N2
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
PROCESOS DE NITRIFICACIÓN
 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
NH3
NO2-
Nitrobacter
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)
La intervención humana
en el ciclo del nitrógeno
Procesos
de combustión
a altas
temperaturas
Nitratos
Suelo
Lluvia ácida
Fijación industrial
y
abonado excesivo
motores
Ácido nítrico
Reacción de N2 y O2
+ vapor
de agua
Liberación de
N2O a la
atmósfera
NO2
Potente gas
de efecto
invernadero
Fertilización excesiva
Aumenta el crecimiento vegetal
Escasez de otros nutrientes:
calcio, magnesio, etc
Eutrofización
del medio
acuático
El ciclo del AZUFRE
Erupciones volcánicas
H2S a la atmósfera
Quema de
combustibles fósiles
SO2 a la atmósfera
Consumidores
H2S
H2SO4
SO3
Productores
Suelos: SO42Sulfatos: SO42-
Sulfuros de Fe
Carbones y petróleos
Pizarras y otras rocas con sulfuros
precipitación
Yesos
El ciclo del azufre





El principal almacén de sulfatos es 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, en ausencia de oxígeno,
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