Actividad 2

Flujo de energía en el ecosistema.

El flujo de energía es uno de los modelos conceptuales que mejor organizan el 

conocimiento disponible acerca del funcionamiento de los ecosistemas. 
En tal sentido constituye un valioso auxiliar didáctico en el ecología. El diagrama de flujo de energía establece un puente entre disciplinas al relacionar conceptos físicos tales como las leyes de la termodinámica, con procesos bioquímicos, como la fotosíntesis y la respiración, o biológicos, como las interacciones entre especies. Da a su vez un marco conceptual común 

para comprender los procesos que ocurren en sistemas naturales y en sistemas manejados o modificados por el hombre tales como los ecosistemas urbanos y los agroecosistemas. Uno de los aspectos claves en la discusión del flujo de energía es identificar el nivel de organización a la cual tienen lugar: el ecosistema. El ecosistema abarca a lacomunidad biótica y a su ambiente físico. Este cambio en el nivel de organización tiene consecuencias muy importantes en nuestra percepción del objeto de estudio. Para el análisis de la 

transferencia de energía en el ecosistema dejamos de considerar a las poblaciones individuales y en cambio agrupamos los organismos de acuerdo a sus similitudes en cuanto a a fuente de energía que utilizan: productores, consumidores primarios o secundarios, descomponedores. Muchos procesos clave a nivel de individuo (acumulación de biomasa) o de población (tasas de crecimiento) se integran en nuevos procesos (la productividad o el consumo) a este nivel de organización. 

Un recurso particularmente útil en la discusión del flujo de energía en el ecosistema es la comparación entre sistemas naturales y sistemas manejados por el hombre. Los cambios en las magnitudes de los flujos, los mecanismos de molificación de esos flujos y los recursos para lograrlos permiten mejorar nuestra percepción de los límites impuestos por la naturaleza a los agroecosistemas. En este capítulo discutiremos los aspectos claves del flujo de energía en los ecosistemas. Este capítulo se organiza en torno de los aspectos que consideramos más importantes para la comprensión de los procesos de transferencia de energía en el ecosistema. Estos incluyen la definición de sistema y modelo, la conexión entre las leyes de la termodinámica y el funcionamiento de los ecosistemas, la idea de eficiencia trófica y tiempo de residencia, la identificación de los controles ambientales de los distintos flujos parciales y las consecuencias de las acciones de manejo sobre el funcionamiento de los ecosistemas.  Finalmente presentamos una serie de ejercicios o actividades que ejercitan el uso de los conceptos relacionados al flujo de energía

Primera  ley de la termodinámica:

También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica «en realidad el primer principio dice más que una ley de conservación», establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Esta obra fue incomprendida por los científicos de su época, y más tarde fue utilizada por Rudolf Loreto Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemática, las bases de la termodinámica.

Segunda ley de la termodinámica:

Esta ley regula la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrase en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, La Segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía tal que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos a temperatura más alta a aquellos de temperatura más baja.Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin.
Enunciado de Clausius

Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen.

Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen.

En palabras de Sears es: " No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada".
Enunciado de Kelvin
No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente y lo convierta íntegramente en trabajo.
Otra interpretación
Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto podemos concluir que el rendimiento energético de una máquina térmica cíclica que convierte calor en trabajo siempre será menor a la unidad y ésta estará más próxima a la unidad cuanto mayor sea el rendimiento energético de la misma. Es decir, mientras mayor sea el rendimiento energético de una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa

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Ley del diezmo:

En la medida que la energía pasa de un nivel trófico a otro, la mayor parte de ella se pierde en la respiración. Es una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica ya que en cada transferencia hay una perdida considerable de energía. Es lo que se conoce como la Ley del Diez por Ciento o la Ley de Diezmo Ecológico     Al aplicar las leyes de la termodinámica al flujo de energía y materia y a la formación de biomasa, se ha considerado que al pasar de un nivel trófico a otro se obtiene sólo el 10% de la energía que se obtuvo en el nivel precedente, lo que significa que, de un 100% de energía capturada, los organismos ocupan el 90% en su metabolismo, movimiento, transporte, etc. almacenando en su estructura un 10% del total consumido para ser aprovechado por el siguiente nivel trófico. El enunciado de este fenómeno dice en concreto: Sólo el 10% de la energía fijada en un nivel trófico es utilizado por el siguiente nivel.       Analizando este enunciado observamos que un productor aprovecha el 90% de la energía solar que fija para realizar sus funciones de sobre vivencia y en caso de servir de alimento a algún herbívoro esto sólo podrá utilizar el 10% de toda la energía que fijó el vegetal. A su vez el herbívoro utiliza el 90% de esa cantidad que recibió para sobrevivir, y en caso de servir de alimento a algún carnívoro éste, sólo podrá utilizar el 10% de la cantidad que recibió el herbívoro.

Hagamos un simple ejercicio.

Basándonos en la ley del diez por ciento, calculemos los kilocalorías (C) que cada nivel de la cadena alimentaria debe añadir a su contenido energético, considerando que cada uno se alimenta con el tejido de un organismo de nivel precedente.

Si el productor: elabora 1000 C de tejido.

El herbívoro aprovecha 100 C de energía en forma de tejido.

El carnívoro aprovecha 10 C de energía en forma de tejido.

El carnívoro final aprovecha 1 C de energía en forma de tejido.

¿Cuánto deben añadir cada nivel a su contenido energético para sobrevivir?

La respuesta exige cálculos que no vienen al caso, pero nos lleva a una conclusión importante y es que el limite superior práctico del numero de etapas que puede presentar una cadena trófica corresponde aproximadamente a 4 o 5 niveles, debido a que se pierde gran cantidad de energía en cada transferencia energética entre niveles, de suyo que al final no existe energía suficiente para mantener un organismo.

Igualmente nos da una clara idea de la cantidad de energía que debemos fijar en los productores para alimentar una población cada día más creciente.

Por una serie de aspectos importante sobre la energía y como transita de un nivel trófico a otro. Ese paso, que por razones didácticas se presenta como simple, es realmente bastante complejo. Por ello los números hasta ahora indicados son referenciales. No obstante, podemos puntualizar algunas conclusiones:

1.- Sólo una pequeña parte de la radiación solar que llega a los productores, realmente se transforma en materia orgánica rica en energía.

2.- De la energía que el productor obtiene se emplea una gran parte en la respiración y se elimina del sistema.

3.- La cantidad de energía en cada nivel trófico es mucho menor que la del nivel precedente, calculándose entre un 80 a 90 % menos.

4.- Los reductores o des componedores derivan su energía del tejido muerto de los organismos que ocupan todas las etapas precedentes, excepto el primero. A veces, esto se considera como una cadena alimenticia detritófaga separada.

 

Productividad:

El flujo de energía que fluye por el ecosistema en su conjunto o de un nivel trófico a otro. Hay varios parámetros de interés:

• Biomasa (B). Es la masa seca o húmeda de todos los organismos que forman un nivel trófico o un ecosistema, por unidad de superficie o volumen.
• Producción (P). Es la cantidad de energía que se almacena en forma de biomasa en cada nivel trófico, o en el ecosistema, por unidad de superficie o volumen y por unidad de tiempo. Dentro de la producción, distinguimos producción bruta y producción neta.
  • Producción bruta (PB): es la cantidad total de energía capturada por un nivel trófico determinado y por unidad de tiempo.
  • Producción neta (PN): es la cantidad total de energía captada por un nivel trófico determinado y por unidad de tiempo, tras descontar la energía gastada en la respiración celular (R); es decir, es la energía que realmente se convierte en biomasa por unidad de tiempo, y que puede ser aprovechada por otros niveles (PN = PB - R).
  En función del nivel trófico, también podemos distinguir entre producción primaria y producción secundaria:
  • Producción primaria: es la energía captada por los productores de un ecosistema.
  • Producción secundaria: es la energía captada por los consumidores mediante la alimentación.
  • Productividad (p). Este valor expresa la «rentabilidad» de un nivel trófico, pues relaciona su producción anual con su biomasa inicial (p = P/B). Podemos hablar de la productividad bruta (pB = PB/B) y de la productividad neta o tasa de renovación (r = PN/B). Este parámetro varía entre 0 y 1, y es muy interesante; en el plancton o en un campo de cultivo es muy elevado, y se acerca al valor 1 (100 %) debido a que la biomasa se renueva con gran rapidez. En un bosque maduro es mucho menor, cercana a 0, pues posee una gran biomasa, y la producción se emplea, simplemente, para reponer dicha biomasa y para la respiración.
• Producción (P) 5 Biomasa (B)/tiempo
• Producción Neta (PN) 5 Producción Bruta (PB) 2 Respiración (R)
• Productividad bruta (pB) 5 Producción bruta (PB)/Biomasa (B)
• Productividad neta (pN) 5 Producción neta (PN)/Biomasa (B)
• los productores primarios son los organismos que hacen entrar la energía en los ecosistemas. Los principales productores primarios son las plantas verdes terrestres y acuáticas, incluidas las algas, y algunas bacterias. Forman el 99,9% en peso de los seres vivos de la biosfera.
  Fotosíntesis y respiración
  La fotosíntesis es el proceso por el que se capta la energía luminosa que procede del sol y se convierte en energía química. Con esta energía el CO₂, el agua y los nitratos que las plantas absorben reaccionan sintetizando las moléculas de carbohidratos (glucosa, almidón, celulosa, etc.), lípidos (aceites, vitaminas, etc.), proteínas y ácidos nucleicos (ADN y ARN) que forman las estructuras vivas de la planta.
  Las plantas crecen y se desarrollan gracias a la fotosíntesis, pero respiran en los periodos en los que no pueden obtener energía por fotosíntesis porque no hay luz o porque tienen que mantener los estomas cerrados. En la respiración se oxidan las moléculas orgánicas con oxígeno del aire para obtener la energía necesaria para los procesos vitales. En este proceso se consume O₂ y se desprende CO₂ y agua, por lo que, en cierta forma, es lo contrario de la fotosíntesis que toma CO₂ y agua desprendiendo O₂. 
  Producción primaria bruta y neta
  Cuando se habla de producción de un ecosistema se hace referencia a la cantidad de energía que ese ecosistema es capaz de aprovechar. Una pradera húmeda y templada, por ejemplo, es capaz de convertir más energía luminosa en biomasa que un desierto y, por tanto, su producción es mayor.
  La producción primaria bruta de un ecosistema es la energía total fijada por fotosíntesis por las plantas. La producción primaria neta es la energía fijada por fotosíntesis menos la energía empleada en la respiración, es decir la producción primaria bruta menos la respiración.
  Cuando la producción 1ª neta es positiva, la biomasa de las plantas del ecosistema va aumentando. Es lo que sucede, por ejemplo, en un bosque joven en el que los árboles van creciendo y aumentando su número. Cuando el bosque ha envejecido, sigue haciendo fotosíntesis pero toda la energía que recoge la emplea en la respiración, la producción neta se hace cero y la masa de vegetales del bosque ya no aumenta.
   

  Producción en la biosfera
  	Producción anual (entre bruta y neta) (gC/m2)	Extensión (106 km2)	Producción anual (106 ton C)
  Bosques	400	41	16 400
  Cultivos	350	15	5 250
  Estepas y pastos	200	30	6 000
  Desiertos	50	40	2 000
  Rocas, hielos, ciudades	0	22	0
  Tierras		148	29 650
  Océanos	100	361	36 100
  Aguas continentales	100	1.9	190
  Aguas		362.9	36 290
  Total			65 940

  
  Eficiencia
  En el concepto de eficiencia no interesa sólo la cantidad total de energía asimilada por el ecosistema en energía química sino que proporción es del total de energía luminosa que le llega al ecosistema
  Llamamos eficiencia de la producción primaria al cociente entre la energía fijada por la producción primaria y la energía de la luz solar que llega a ese ecosistema.
  El proceso de fotosíntesis podría llegar a tener una eficiencia teórica de hasta un 9% de la radiación que llega a la superficie, sobre las plantas. Es decir un 2% de la energía que llega a la parte alta de la atmósfera. Pero nunca se han medido, en la realidad, valores tan altos. El valor máximo. observado, en un caso muy especial de una planta tropical con valores de iluminación muy altos, ha sido de un 4,5% de la radiación total que llegaba a la planta.
  Eficiencias "normales", en plena estación de crecimiento, con buenas condiciones de humedad, temperatura, etc. son: 
  Eficiencia de distintas comunidades vegetales 
  
  

  	Eficiencia de la Producción 1ª bruta	% dedicado a Respiración
  Comunidades de fitoplancton	< 0,5%	10 - 40%
  Plantas acuáticas enraizadas y algas de poca profundidad	> 0,5%
  Bosques	2 - 3'5%	50 - 75%
  Praderas y comunidades herbáceas	1 - 2%	40 - 50%
  Cosechas	< 1,5%	40 - 50%

  Se puede decir, en resumen, que en plena estación de crecimiento y con las condiciones que hemos dicho, eficiencias muy normales son del 1% de la energía que llega a las plantas, o lo que es lo mismo del 0,2% de la energía total que llega a la parte alta de la atmósfera.
  Las plantas está bien adaptadas al uso de luz difusa y de relativamente baja intensidad y son mediocres usando luz de alta intensidad, como la del mediodía, por ejemplo. La explicación más probable de por qué no usan mejor la luz que reciben, es que su actividad se encuentra limitada por la escasez de elementos químicos y no por la luz. Por tanto, en la evolución no han sido necesitado desarrollar mecanismos de fotosíntesis más eficientes.
  
  El C, el N y el P , entre otros, son los elementos que las plantas necesitan. La producción depende siempre del más escaso de esos elementos: el llamado factor limitante. Normalmente suele ser el P, aunque a veces lo es el N.