El mundo vivo: Ecosistemas

En 1995 se liberaron catorce lobos grises en el Parque Nacional de Yellowstone, donde habían estado ausentes durante 70 años. La cantidad de uapitíes disminuyó y estos dejaron de pastar junto a los ríos; los sauces y los álamos volvieron a crecer; los castores regresaron para utilizarlos y sus presas crearon estanques para peces y aves. Un depredador cambió todo un ecosistema. Esta unidad trata sobre cómo se relacionan los seres vivos entre sí y con la energía y la materia que fluyen a través de ellos.

Un ecosistema comprende todas las partes vivas (bióticas) y no vivas (abióticas) de un área y las interacciones entre ellas. Los factores abióticos incluyen la luz solar, la temperatura, el agua, el suelo y los nutrientes.

Las especies en un ecosistema interactúan de varias maneras:

Simbiosis es cualquier relación cercana y a largo plazo entre dos especies: el mutualismo, el comensalismo y el parasitismo son todos tipos de simbiosis.

La competencia ocurre dentro de una especie y entre especies cuando un recurso es limitado. Con el tiempo, las especies competidoras suelen evolucionar hacia la división de recursos: usan el recurso de diferentes formas, en lugares distintos o en momentos diferentes. Por ejemplo, varias especies de carpinteros se alimentan en el mismo árbol de abeto pero en distintas partes del mismo; los halcones cazan de día y los búhos de noche.

Un bioma es una gran región con una comunidad característica de plantas y animales adaptada a su clima. Los biomas terrestres se determinan principalmente por la temperatura media y la precipitación, que a su vez dependen de la latitud y la altitud.

Las dos imágenes a continuación se sitúan en extremos opuestos de la escala de precipitación, razón por la cual su vida parece tan diferente:

Los recursos naturales en tierra, como el agua dulce y la madera, están distribuidos de manera desigual debido al clima, la geografía, la latitud, la altitud, los nutrientes y el suelo. Los límites de los biomas no son fijos: a medida que el clima se calienta, los biomas se desplazan hacia los polos y las montañas, y las especies que no pueden moverse lo suficientemente rápido están en riesgo.

Los biomas acuáticos se dividen por salinidad (contenido de sal), profundidad, flujo de agua, temperatura y turbidez (opacidad).

• Biomas de agua dulce: arroyos y ríos (agua corriente, alto oxígeno), estanques y lagos (agua estancada) y humedales de agua dulce. Son una fuente vital de agua potable.
• Biomas marinos: el océano abierto, arrecifes de coral (agua tropical cálida, clara y poco profunda), marismas saladas y estuarios, donde los ríos encuentran el mar y el agua dulce se mezcla con el agua salada.
• Humedales (pantanos, ciénagas, manglares) son tierras cubiertas por agua durante al menos parte del año. Filtran contaminantes, almacenan aguas de inundación y proporcionan zonas de cría para peces.

Los estuarios y las marismas saladas son muy productivos porque los ríos y las mareas aportan nutrientes, y las aguas poco profundas reciben luz solar. Los arrecifes de coral también son muy productivos, pero suelen crecer en aguas pobres en nutrientes: los corales y sus algas simbióticas reciclan los nutrientes de manera eficiente. En mar abierto, las diminutas algas (fitoplancton) producen una gran parte del oxígeno de la Tierra y absorben dióxido de carbono de la atmósfera.

Un ciclo biogeoquímico es el movimiento de un elemento entre reservorios (almacenamientos). Un reservorio que absorbe más de ese elemento del que libera es un sumidero; uno que libera más del que absorbe es una fuente. Algunos reservorios retienen el elemento brevemente (la atmósfera, los seres vivos), otros durante millones de años (rocas, combustibles fósiles).

El ciclo del carbono mueve el carbono entre la atmósfera, los seres vivos, el océano, el suelo y las rocas:

• La fotosíntesis toma $\text{CO}_2$ del aire y almacena el carbono en azúcares: $6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2$.
• La respiración celular de plantas, animales y descomponedores lo libera nuevamente como $\text{CO}_2$.
• La descomposición de materia muerta devuelve el carbono al aire y al suelo.
• El océano absorbe $\text{CO}_2$ del aire (es el mayor sumidero activo de carbono); los organismos marinos forman conchas de carbonato de calcio, que se depositan y forman roca caliza.
• El enterramiento de plantas y plancton muertos bajo sedimentos, a lo largo de millones de años, formó combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural).

Impacto humano. La quema de combustibles fósiles libera carbono que estaba almacenado durante millones de años a la atmósfera en unas pocas décadas, mucho más rápido de lo que la fotosíntesis y el océano pueden eliminarlo. La deforestación agrava esto: la quema de bosques libera carbono, y quedan menos árboles para absorber $\text{CO}_2$. El resultado es el aumento atmosférico de $\text{CO}_2$ y el cambio climático.

El nitrógeno es necesario para fabricar proteínas y ADN. La atmósfera es el mayor reservorio de nitrógeno (78% $\text{N}_2$), pero las plantas y los animales no pueden usar directamente el gas $\text{N}_2$. La mayoría de los reservorios de nitrógeno (suelo, seres vivos) solo lo retienen por un breve tiempo.

El ciclo del nitrógeno tiene cinco etapas principales:

1. La fijación del nitrógeno convierte el $\text{N}_2$ atmosférico en nitrógeno aprovechable por los seres vivos. Las bacterias del suelo y de los nódulos de las raíces de las leguminosas (frijoles, trébol) forman amoníaco ($\text{NH}_3$) o amonio ($\text{NH}_4^+$). El proceso industrial Haber produce amoníaco para fertilizantes. Los rayos forman óxidos de nitrógeno que llegan al suelo principalmente en forma de nitrato.
2. Nitrificación: las bacterias del suelo convierten el amonio en nitrito ($\text{NO}_2^-$) y luego en nitrato ($\text{NO}_3^-$).
3. Asimilación: las plantas absorben nitratos y amonio a través de sus raíces y los convierten en proteínas; los animales obtienen nitrógeno al comer plantas.
4. Amonificación: los descomponedores degradan la materia orgánica muerta y los residuos, liberando amonio de vuelta al suelo.
5. Denitrificación: las bacterias en suelos anegados y con bajo contenido de oxígeno convierten el nitrato nuevamente en $\text{N}_2$ (y algo de $\text{N}_2\text{O}$, un gas de efecto invernadero), que retorna a la atmósfera.

Impacto humano. Los fertilizantes sintéticos y el estiércol añaden grandes cantidades de nitrógeno. El nitrato se disuelve fácilmente, por lo que el exceso de fertilizante se filtra hacia las aguas subterráneas (inseguro para beber) o escurre hacia ríos, donde provoca florecimientos algales. La quema de combustibles libera óxidos de nitrógeno, que causan smog y lluvia ácida.

El fósforo es necesario para el ADN, el ATP (la molécula de energía celular), las membranas celulares, así como para huesos y dientes.

El ciclo del fósforo es inusual: no tiene una fase atmosférica. Sus principales reservorios son rocas y sedimentos que contienen minerales fosfatos.

1. La meteorización de las rocas libera lentamente fosfato ($\text{PO}_4^{3-}$) hacia el suelo y el agua.
2. Las plantas lo absorben; los animales lo obtienen al comer plantas.
3. Los descomponedores devuelven el fosfato al suelo a partir de residuos y organismos muertos.
4. El escurrimiento transporta el fosfato hacia lagos y océanos, donde se deposita en sedimentos.
5. A lo largo de millones de años, los sedimentos forman roca mediante compactación y cementación; el levantamiento geológico puede exponer esa roca en tierra firme.

El fósforo no tiene una fase gaseosa importante, aunque el viento puede transportar fosfato en el polvo. Regresa de los sedimentos oceánicos a la tierra principalmente mediante procesos geológicos lentos. Por ello, es naturalmente escaso en la mayoría de los ecosistemas y suele ser el nutriente limitante para el crecimiento de plantas y algas.

Impacto humano. Se extrae roca fosfórica para fabricar fertilizantes, y los fosfatos eran comunes en detergentes. El escurrimiento procedente de granjas y sistemas de alcantarillado añade fósforo a lagos y ríos, lo que causa eutrofización: las algas crecen rápidamente, luego mueren y se descomponen, y los descomponedores consumen el oxígeno disuelto, matando a los peces.

El ciclo del agua (ciclo hidrológico) mueve el agua entre sus formas sólida, líquida y gaseosa. Está impulsado por la energía del Sol.

• Evaporación: el Sol calienta el agua superficial, la cual se transforma en vapor de agua.
• Transpiración: las plantas liberan vapor de agua desde sus hojas.
• Condensación: el vapor se enfría y forma nubes.
• Precipitación: el agua cae en forma de lluvia, nieve o granizo.
• Escorrentía e infiltración: el agua fluye sobre la tierra hacia los ríos o se infiltra en el suelo para convertirse en agua subterránea en los acuíferos.

Los océanos son el principal reservorio y contienen aproximadamente el 97% del agua de la Tierra. Los casquetes polares y glaciares contienen aproximadamente el 2%, y las aguas subterráneas dulces, menos del 1%; las aguas subterráneas salinas contienen gran parte del resto, mientras que los lagos, ríos y la atmósfera contienen solo una fracción diminuta. Por tanto, menos del 1% de toda el agua es agua dulce fácilmente disponible.

Impacto humano. La pavimentación aumenta la escorrentía y las inundaciones, y reduce la infiltración; la deforestación disminuye la transpiración y la lluvia local; la extracción de agua subterránea más rápido de su recarga baja el nivel freático.

Productividad primaria es la tasa a la cual los productores convierten la energía solar en energía química de compuestos orgánicos mediante la fotosíntesis. Se mide como energía (o biomasa) por unidad de área por unidad de tiempo, por ejemplo $\text{kcal/m}^2/\text{yr}$.

• Productividad primaria bruta (PPB) es la tasa total de fotosíntesis en un área.
• Productividad primaria neta (PPN) es la energía restante después de que los productores utilizan parte de ella para su propia respiración ($R$). La PPN es la energía disponible para los consumidores.

Ejemplo resuelto. Los productores en una pradera capturan $20{,}000\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$ (PPB) y utiliza $8{,}000\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$ en respiración. $\text{NPP} = 20{,}000 - 8{,}000 = 12{,}000\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$. Solo esa PPN, no la PPB completa, está disponible para los consumidores.

Las selvas tropicales, los pantanos y las marismas, los estuarios y los arrecifes de coral tienen una alta productividad por metro cuadrado. Los arrecifes de coral mantienen una alta productividad en aguas pobres en nutrientes gracias al reciclaje eficiente de estos. Los desiertos, la tundra y el océano abierto (con pocos nutrientes) tienen una baja productividad por metro cuadrado.

La luz en el agua. El agua absorbe la luz rápidamente. La luz roja se absorbe más rápido que la azul, que es la que penetra a mayor profundidad; la profundidad depende de la transparencia del agua. Por eso, la mayor parte de la fotosíntesis acuática ocurre cerca de la superficie, y las algas de aguas profundas tienen pigmentos que captan la luz azul.

Cada ecosistema necesita un flujo continuo de energía de alta calidad, casi siempre procedente del Sol. La energía fluye desde el Sol hacia los productores en el nivel trófico más bajo, y luego hacia niveles superiores:

1. Productores (autótrofos): plantas, algas y fitoplancton producen su propio alimento mediante la fotosíntesis.
2. Consumidores primarios (herbívoros) se alimentan de los productores.
3. Consumidores secundarios se alimentan de los consumidores primarios.
4. Consumidores terciarios se alimentan de los consumidores secundarios; los depredadores tope no tienen depredadores naturales.

Descomponedores (bacterias y hongos) y detritívoros (lombrices de tierra, milpiés) descomponen materia muerta y desechos de todos los niveles, devolviendo nutrientes al suelo y al agua. Sin ellos, la materia no se ciclaría.

La energía fluye en una sola dirección, pero la materia se cicla: los ciclos biogeoquímicos muestran la conservación de la materia. Los átomos nunca se destruyen; se mueven entre reservorios.

La regla del 10%: en promedio, solo alrededor del 10% de la energía de un nivel trófico pasa al siguiente. El otro 90% se utiliza en los procesos vitales de los propios organismos (respiración, movimiento, mantenimiento del calor corporal) y finalmente se pierde como calor, o se encuentra en partes que no se comen ni se digieren.

Las leyes de la termodinámica explican esto. La primera ley establece que la energía no se crea ni se destruye, solo cambia de forma. La segunda ley indica que cada vez que la energía cambia de forma, parte se convierte en calor, lo cual no es útil para el siguiente nivel. Por tanto, la energía no puede reciclarse a lo largo de la cadena alimentaria.

Ejemplo resuelto. De $12{,}000\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$ de productividad primaria neta, los consumidores primarios reciben aproximadamente $1200\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$, los consumidores secundarios aproximadamente $120\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$ y los consumidores terciarios solo aproximadamente $12\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$. Después de tres transferencias, la energía se ha reducido mil veces.

Ejemplo resuelto (en reversa). Una población de águilas necesita $50$ kcal por día de serpientes. Descendiendo, las serpientes necesitan $500$ kcal, los ratones $5000$ kcal y la hierba $50{,}000$ kcal. Multiplica por 10 para cada nivel que desciendas.

Ejercicio resuelto (alimento necesario). Un ocelote necesita 720 g de alimento al día, y el 46% de su dieta en masa son ratones de bolsillo. Cada ratón tiene una masa de 43 g. ¿Cuántos ratones come un ocelote al día?

1. Masa de ratones comidos: $720 \times 0.46 \approx 331$ g por día.
2. Número de ratones: $331 \div 43 \approx 7.7$, así que aproximadamente 8 ratones al día.
3. Muestra cada paso con sus unidades; las preguntas de respuesta libre pueden otorgar un punto por el planteamiento correcto; comprueba el redondeo y las unidades que exige la pregunta.

Por qué importa el nivel trófico del alimento. Los ratones comen plantas, por lo que son consumidores primarios; las serpientes comen otros animales, por lo que están al menos en el nivel de consumidores secundarios. Un ocelote que come serpientes recibe energía que ha pasado por una transferencia extra del 10% respecto a la energía procedente de los ratones, por lo que se necesita mucha más producción primaria para suministrar la misma cantidad de 720 g de serpientes.

Esta pérdida de energía explica por qué las cadenas alimentarias rara vez tienen más de cuatro o cinco niveles, por qué los depredadores tope son pocos y por qué alimentarse más bajo en la cadena alimentaria (plantas en lugar de carne) permite sostener a más personas con la misma superficie de tierra.

Una cadena alimentaria es una sola ruta de quién se come a quién. Una red alimentaria muestra múltiples cadenas alimentarias entrelazadas en un ecosistema. En ambos casos, las flechas apuntan desde el alimento hacia el consumidor: indican la dirección en la que fluyen la energía y los nutrientes.

Dado que las especies están conectadas, agregar o eliminar una especie afecta a otras:

• Eliminar un depredador permite que su presa aumente, lo que puede llevar a un consumo excesivo de los productores. Por ejemplo, eliminar arañas puede permitir que insectos herbívoros se multipliquen y dañen cultivos.
• La introducción de carpas plateadas y carpas cabezonas invasoras que se alimentan de plancton, como en la cuenca del río Misisipi, deja menos alimento para los peces nativos.
• Una especie clave tiene un impacto mucho mayor en su ecosistema de lo que sugiere su número. Los lobos de Yellowstone y las nutrias marinas (que comen erizos de mar que de otro modo destruirían bosques de algas kelp) son ejemplos.

Los bucles de retroalimentación operan en las redes alimentarias. En un bucle de retroalimentación negativa, un cambio produce efectos que lo revierten: más liebres alimentan a más zorros, quienes luego reducen el número de liebres, manteniendo estables ambas poblaciones. En un bucle de retroalimentación positiva, un cambio produce efectos que lo amplifican: menos árboles conducen a más erosión, lo que resulta en aún menos árboles.

Responda cada pregunta antes de leer las respuestas siguientes.

1. Un pastizal tiene una productividad primaria bruta de $5000$ kcal/m²/año, y sus productores utilizan $3000$ kcal/m²/año en la respiración. Calcula la productividad primaria neta.
2. Los productores de una red alimentaria contienen $20\,000$ kcal. Usando la regla del $10\%$, ¿cuánta energía llega a los consumidores secundarios?
3. Describe la fijación del nitrógeno y explica por qué es importante para las plantas.
4. Explica por qué el ciclo del fósforo es mucho más lento que los ciclos del carbono o del nitrógeno.
5. Identifica un sumidero de carbono y explica cómo la quema de combustibles fósiles cambia el ciclo del carbono.
6. Explica por qué la tundra tiene una baja productividad primaria.

1. $\text{NPP} = \text{GPP} - \text{R} = 5000 - 3000 = 2000$ kcal/m²/año.
2. Productores $\rightarrow$ consumidores primarios $2000$ kcal $\rightarrow$ consumidores secundarios $200$ kcal.
3. Las bacterias (de vida libre o presentes en los nódulos de las raíces de las leguminosas) convierten el $\text{N}_2$ atmosférico en amoníaco ($\text{NH}_3$) o amonio. Las plantas no pueden utilizar $\text{N}_2$ directamente, pero sí pueden absorber estas formas para producir proteínas y ácidos nucleicos.
4. No tiene fase gaseosa: el fósforo entra en los ecosistemas principalmente mediante la meteorización lenta de las rocas.
5. El océano (o los bosques, o las rocas sedimentarias). La combustión traslada a la atmósfera como $\text{CO}_2$ el carbono que estuvo almacenado durante millones de años en los combustibles fósiles, mucho más rápido de lo que los sumideros pueden absorberlo.
6. Las bajas temperaturas, una temporada de crecimiento corta y las escasas precipitaciones limitan la fotosíntesis.

• La energía fluye en una sola dirección y se pierde como calor (la regla del 10%); la materia cicla (carbono, nitrógeno, fósforo, agua).
• Para la simbiosis, indica el efecto sobre ambas especies (+/+, +/0, +/−).
• Conoce qué ciclo no tiene fase gaseosa (fósforo) y dónde se almacena cada elemento por más tiempo (carbono en rocas y combustibles fósiles, nitrógeno en la atmósfera, fósforo en roca).
• Nombra los pasos del ciclo del nitrógeno en orden y di qué organismos los realizan: fijación (bacterias), nitrificación (bacterias), asimilación (plantas), amonificación (descomponedores), desnitrificación (bacterias).
• Usa PPN = PMB − respiración; solo la PPN está disponible para los consumidores. Da unidades como $\text{kcal/m}^2/\text{yr}$.
• En una red alimentaria, las flechas muestran la dirección del flujo de energía, desde el alimento hacia el consumidor.
• Cuando se elimina una especie, sigue los efectos al menos dos pasos a través de la red.
• Muestra cada paso en los cálculos, con unidades; se permite la calculadora FRQ pero se requieren los procedimientos para obtener puntos.