El Ecosistema y las Relaciones Tróficas

Un ecosistema puede definirse como un sistema abierto integrado por una parte físico-química (el biotopo) y una parte biótica (la biocenosis), o conjunto de seres vivos presentes en él. Naturalmente, entre ambas partes se establecen relaciones.

Las relaciones tróficas representan el mecanismo de transferencia de energía y de materia de unos organismos a otros en forma de alimento.

Niveles Tróficos

Los organismos de un ecosistema se clasifican según la forma en que obtienen su energía:

• Productores: Constituyen el primer nivel trófico, ya que son los organismos autótrofos. Es decir, elaboran materia orgánica a partir de materia inorgánica y de una fuente de energía. Los organismos autótrofos más importantes son los fotosintéticos.
• Consumidores: Parte de la materia orgánica que elaboran los productores sirve de alimento para los consumidores, los cuales la utilizan para obtener ATP mediante la respiración celular y para reproducirse y crecer.
• Descomponedores: Si la materia orgánica que construyen los vegetales a partir de materia inorgánica no se convirtiera de nuevo en inorgánica, los suelos y ecosistemas acuáticos se empobrecerían de materia inorgánica hasta el punto de poner en peligro la vida vegetal y, por lo tanto, la del resto del ecosistema.

Transformadores y Mineralizadores

Dentro del proceso de descomposición, encontramos dos grupos clave:

• Transformadores: Son organismos heterótrofos saprofitos que se alimentan de materia orgánica muerta. Pertenecen a este grupo los hongos y bacterias del suelo y las bacterias de los fondos acuáticos.
• Mineralizadores: Son bacterias autótrofas. No se alimentan de materia orgánica, sino de materia inorgánica expulsada por los transformadores.

Una vez que ubicamos los organismos en sus distintos niveles tróficos, se pueden construir cadenas tróficas, que son representaciones lineales de las relaciones tróficas, es decir, de cómo pasa la materia orgánica a través de organismos que pertenecen a distintos niveles tróficos. Las cadenas tróficas comienzan siempre por los productores, a partir de los cuales se origina la corriente de materia orgánica que pasa por los distintos tipos de consumidores.

Flujo de Energía en el Ecosistema

Conceptos de Biomasa y Producción

Biomasa: Es la cantidad de peso seco por unidad de superficie o de volumen de un organismo o de un nivel trófico determinado. Proporciona una medida de la cantidad de energía que tiene ese organismo o nivel trófico, puesto que, al quitarle el agua, el 99% del peso seco que queda es materia orgánica, y es en los enlaces de esta donde se encuentra la energía química acumulada.

Producción: Es el cociente entre el incremento de biomasa y una unidad de tiempo. Como la biomasa que tiene un organismo, una población o un nivel trófico puede variar con el tiempo (p. ej., la cantidad de hierba de un prado varía con las estaciones del año), se ha definido este parámetro que nos da una idea real del flujo de energía que atraviesa un ecosistema.

• Producción Primaria (PP): Es la fijada por los organismos autótrofos.
• Producción Secundaria (PS): Es la que corresponde a cualquiera de los otros niveles tróficos. A pesar de que los únicos organismos que producen materia orgánica a partir de materia inorgánica son los productores, los organismos consumidores también tienen producción, en el sentido de que asimilan materia orgánica y con ella crecen.

Producción Bruta y Neta

Producción Bruta (PB): Es la biomasa producida por unidad de tiempo por un individuo o nivel trófico, incluyendo la que se va a consumir por la respiración.

Producción Neta (PN): Es la producción bruta a la que se le descuenta la pérdida por la respiración (R).

PN = PB – R

Productividad y la Regla del 10%

Se ha enunciado la llamada regla del 10% o de Lindeman: la energía que pasa de un eslabón (nivel trófico) a otro es aproximadamente el 10% de la acumulada en él. Parte de la luz que llega a las plantas no es utilizada por las mismas en el proceso fotosintético. Con la luz fijada se elabora la PPB (Producción Primaria Bruta) que queda muy menguada tras el gasto respiratorio de las propias plantas. La PPN (Producción Primaria Neta) es la energía disponible que llega a los herbívoros.

Productividad: Las medidas efectuadas de la producción de dos especies distintas son diferentes, para una misma superficie, tiempo y biomasa. Ello se debe a que aumentan su biomasa a un ritmo diferente. Definimos productividad como el cociente entre la producción neta y la biomasa. Podemos decir que la productividad es la velocidad con la que se produce biomasa, o sea, la velocidad con la que se renueva la biomasa, por lo que recibe también el nombre de tasa de renovación.

Ciclos Biogeoquímicos

Ciclo del Carbono

El carbono se encuentra en la atmósfera en forma de CO₂; en la litosfera, en forma de rocas carbonatadas, fundamentalmente; en la hidrosfera, disuelto como bicarbonato y CO₂; y en la biosfera, integrado en moléculas orgánicas, también como bicarbonato disuelto y como carbonato formando esqueletos y estructuras en distintos organismos. Gracias a la fotosíntesis y a los procesos de descomposición y respiración, se mantiene en equilibrio.

Como puede observarse, parte del carbono ha salido del ciclo en forma de restos orgánicos que, tras procesos de descomposición, fueron sometidos a condiciones metamórficas hasta formar carbón y petróleo. También existe otro sumidero de carbono: el dióxido de carbono se disuelve en agua con facilidad y origina ácido carbónico, que puede reaccionar con rocas carbonatadas originando bicarbonato y calcio. El bicarbonato disuelto en agua y los iones de calcio son utilizados por animales para formar sus esqueletos de carbonato cálcico. Una vez muertos, los esqueletos pueden sufrir procesos de acumulación y cementación y dar lugar a calizas. Ingentes cantidades de carbono fueron retiradas de la atmósfera mediante este último proceso, lo que explica el descenso paulatino de CO₂ en la misma.

Intervención Humana en el Ciclo del Carbono

La intervención humana en este ciclo es doble. De una parte, el hombre está amenazando la biodiversidad, al ser actualmente el consumidor más voraz; de otra, está desajustando el efecto invernadero al liberar cantidades ingentes de CO₂ a la atmósfera como resultado de la combustión del carbón, petróleo y gas natural. Ambos problemas serán tratados más adelante.

Ciclo del Nitrógeno

El nitrógeno aparece en la atmósfera en forma de N₂ y en mucha menor proporción en las moléculas de NO, NO₂, NO₃, denominados genéricamente NOₓ, que de manera natural pueden ser liberados por volcanes y ser formados durante las tormentas. En la litosfera se encuentra en rocas que liberan nitratos. En la hidrosfera aparece disuelto en forma de nitratos y nitritos, y en la biosfera es absorbido en forma de nitratos, se incorpora a moléculas orgánicas mediante fotosíntesis y es transferido a los consumidores en esta forma.

En el ciclo del nitrógeno hay que destacar el papel de las bacterias mineralizadoras (Nitrosomonas y Nitrobacter), que convierten el amoníaco liberado en los procesos de descomposición realizados por los hongos y bacterias transformadores en nitritos y después estos en nitratos, cerrando el ciclo de este elemento. Asimismo, existen algas y bacterias capaces de fijar el N₂ atmosférico e incorporarlo a moléculas orgánicas. Son bacterias del suelo fijadoras, algas cianofíceas y bacterias que viven en simbiosis en las raíces de plantas leguminosas: garbanzo, lenteja, alubia, alfalfa, etc. Existen otras bacterias, desnitrificantes, que transforman los nitratos del suelo en N₂, por lo que este gas es devuelto a la atmósfera.

Los restos de organismos marinos muertos caen al fondo, se mezclan con los sedimentos marinos y son difíciles de recuperar, perdiéndose lateralmente. Con el tiempo volverán al continente en forma de rocas sedimentarias. Sin embargo, esta pérdida lateral no representa problema alguno, puesto que la abundancia de nitrógeno en la atmósfera es muy grande y hay microorganismos que lo pueden fijar.

Intervención Humana en el Ciclo del Nitrógeno

La intervención humana se produce a través del excesivo abonado que realizan los agricultores de sus cultivos con nitratos que se disuelven, llegando a los ríos y lagos. Allí constituyen un excelente nutriente para las algas, que prosperan vertiginosamente. Al morir, caen al fondo y los descomponedores, ante tan abundante material, crecen exponencialmente privando de oxígeno a otros organismos de estos ecosistemas. Esta forma de contaminación se denomina eutrofización, que significa exceso de alimento. Asimismo, la actividad industrial libera los NOₓ que, junto a los liberados por volcanes, formarán en la atmósfera ácido nítrico que al disolverse en las gotas de lluvia contribuirá a la formación de lluvia ácida. Estos dos problemas los estudiaremos más adelante en las unidades de la hidrosfera y atmósfera.

Dinámica de Poblaciones

Una población es el conjunto de individuos de una especie que habita en un ecosistema; por ser miembros de una especie determinada, pueden mantener relaciones de reproducción entre ellos. Hasta cierto punto, el crecimiento de las poblaciones está determinado genéticamente, tanto el número aproximado de nacimientos como la edad de la muerte.

En circunstancias óptimas (abundancia de alimento, ausencia de competidores, clima óptimo, etc.), una población poseerá una tasa de natalidad (TN) máxima y una tasa de mortalidad (TM) mínima, con lo que el crecimiento será el máximo posible (potencial biótico de la especie). La diferencia entre ambas tasas (r = TN – TM) recibe el nombre de tasa intrínseca de crecimiento (r) y en estas circunstancias se acercará a 1.

Capacidad de Carga y Resistencia Ambiental

La capacidad de carga (K) no tiene un valor fijo, sino que varía dependiendo de la TN y TM de la especie en cuestión, así como de la capacidad del ecosistema considerado. La ecuación logística de crecimiento poblacional se representa como:

Nₜ₊₁ = Nₜ + r Nₜ [(K – Nₜ) / K]

El término [(K – Nₜ) / K] representa la resistencia ambiental. Cuando la población es baja, el término tiende a hacerse 1 y el crecimiento en ese momento se acerca al exponencial, pero a medida que Nₜ crece y se acerca a la capacidad de carga (K), el término tiende a cero, lo que significa que se detiene el crecimiento de la población. La representación de esta ecuación nos da una curva de tipo logístico.

Factores de Resistencia Ambiental

Los factores que influyen en el control del crecimiento de las poblaciones son de naturaleza variada:

Factores Limitantes Abióticos (Físico-Químicos)

Basta con que un solo factor sea escaso para que se convierta en un factor limitante del crecimiento de una población.

• La Luz: Es un factor más escaso en los océanos, donde solamente profundiza unos cuantos metros.
• Los Nutrientes Inorgánicos: La humedad es especialmente importante en los ecosistemas continentales, convirtiéndose en limitante en las zonas de climas áridos y subáridos, donde solo prosperan aquellas plantas adaptadas a las condiciones de sequedad.
• La Temperatura: La fotosíntesis, como cualquier otro tipo de reacción bioquímica, está catalizada por enzimas, proteínas que aumentan la velocidad de las reacciones sin las cuales no se puede concebir la vida tal como la conocemos.

Factores Limitantes Bióticos

Las poblaciones interaccionan entre sí y de esta manera también se regula su crecimiento.

• Interacciones Intraespecíficas: Además de los factores genéticos (potencial biótico) de las poblaciones, existen relaciones entre los individuos de una población que contribuyen a su control, por lo que podemos considerarlos como mecanismos de autorregulación. Se dan relaciones de competencia intraespecífica por el alimento, el territorio o la pareja que contribuyen a la selección natural.
• Interacciones Interespecíficas: El factor que controla en mayor medida el crecimiento de las poblaciones es la disponibilidad de producción neta, es decir, de organismos o partes de los mismos que sirvan de alimento.

Diversidad Biológica (Biodiversidad)

Por diversidad biológica se entiende la riqueza o variedad de especies y su abundancia relativa. Por lo tanto, si comparamos dos comunidades de sendos ecosistemas, será más diversa la que tenga un mayor número de especies, y, en el caso improbable de que tuvieran el mismo número, sería más diversa aquella que tuviera una mayor equidad (distribución más uniforme de individuos por especie).

Funciones de la Biodiversidad

Entre las funciones de la biodiversidad cabe destacar:

• Contribución a mantener los niveles de gases en la atmósfera y el equilibrio de los ciclos biogeoquímicos.
• Influencia en el establecimiento del flujo de energía y reciclado de la materia (formación de suelos).
• Intervención en la regulación de los climas.
• Es el factor fundamental en el equilibrio y estabilidad de los ecosistemas.