Es importante que tengas presente que para que un sistema pueda mantener la vida de sus seres orgánicos, es necesario que exista un flujo de energía, el cual se puede perder en forma de calor o bien, en el proceso de respiración. También, debes saber que la energía es una de las partes fundamentales para que un ecosistema pueda funcionar y fluya al interior de este por medio de ciclos biogeoquímicos, otra de sus partes esenciales; los cuales mueven nutrientes a través de los diferentes niveles y capas de la Tierra, lo que hace que la vida sea posible.
Por lo cual al necesitar que un flujo de energía salga de los ecosistemas, estos están abiertos en grados variables para recibir flujos de materia, además de que aquí mismo se da el efecto de inmigración y emigración de los propios organismos, por lo que es necesario que ubiques a los ecosistemas debajo del nivel de la biosfera.
Como resultado de lo anterior, una parte importante del concepto de ecosistemas consisten en reconocer que existe un ambiente de entrada y uno de salida, los cuales están acoplados y resultan esenciales para que el ecosistema funciones y se autosostenga, como lo muestra la siguiente figura.
Ilustración 1. Modelo del ecosistema como un sistema abierto.
Este modelo de ecosistema resalta el medio externo, el cual debe considerarse una parte integral dentro de este concepto.
Para que un ecosistema funcione correctamente, es necesario que mantenga proporciones adecuadas entre especies, recursos y demás, es decir, un equilibrio en la cadena alimenticia y productora.
La siguiente figura muestra como es el flujo de energía (flechas oscuras) y cómo influyen los nutrientes orgánicos dentro del ecosistema (flechas verdes). Es decir, como se da la entrada y salida de la energía dentro del ecosistema, así como la pérdida de esta que se produce durante los procesos de transformación y transferencia entre cada uno de los niveles tróficos, es decir, como se encuentra en equilibrio dentro del ecosistema.
Ilustración 2. Modelo del flujo de materia y energía dentro de una cadena trófica.
Desde el punto de vista de la estructura trófica (de trophe = nutrición), los ecosistemas poseen dos estratos.
1. Autótrofo: (que se autonutre), superior o “faja verde” de plantas clorofilianas o partes de estas, en las que predominan la fijación de energía lumínica, el uso de sustancias inorgánicas simples y la síntesis de sustancias orgánicas complejas.
2. Heterótrofo: (que se nutre de otras fuentes), inferior o “faja café” que consta de suelos y sedimentos, materia en descomposición, raíces, etc., en el cual predomina la utilización, reorganización y descomposición de materiales complejos.
Conforme a lo anterior, la comunidad es representada como una trama alimenticia de organismos autótrofos y heterótrofos, los cuales se encuentran ligados o unidos gracias a los flujos de energía, los ciclos de los nutrientes y los nutrientes que se encuentran almacenados. Por otro lado, el comportamiento de la energía dentro los ecosistemas es conocido como flujo de energía, donde sus transformaciones son unidireccionales, lo que se opone al comportamiento cíclico de los materiales.
El concepto de flujo de energía permite comparar ecosistemas entre sí, al igual que evaluar la importancia de las poblaciones dentro del espacio correspondiente en una comunidad biótica dentro del ecosistema.
En la siguiente tabla te presentamos una lista de datos sobre densidad, biomasa y flujo de energía de seis poblaciones determinadas, diferentes en el tamaño de sus individuos y el hábitat donde se ubican. Los números de estos datos varían en magnitud de órdenes (1017) y la biomasa (105), mientras que las variaciones en el flujo de energía son en tantos de cinco. Las semejanzas en este flujo indican que las poblaciones funcionan dentro del mismo nivel trófico; es decir, son consumidores primarios.
Tabla 1 Densidad, biomasa y flujo de energía en seis poblaciones de consumidores primarios que difieren en tamaño de los individuos que las integran.
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| Densidad aproximada (m2) | Biomasa (g/m2) | Flujo de energía (kcal/m2/día) |
| Bacterias del suelo | | | |
| Copépodos marinos (Acartia) | | | |
| Caracoles litorales (Littorina) | | | |
| Saltamontes de las marismas (Orchelimun) | | | |
| Ratones (Microtus) | | | |
| Venados (Odocoileus) | | | |
Como has observado a través de los esquemas anteriores, la manera en que la energía penetra dentro de los ecosistemas tiene formas muy variadas; se puede dar por medio del sol, el agua, el oxígeno, el dióxido de carbono, el nitrógeno, así como a través de otros elementos compuestos, que son una fuente de combustible muy importante para el mismo, ya que sin esto no se podría realizar ningún tipo de trabajo. Además de que, sin una inyección constante de energía, los seres vivientes tampoco podrían funcionar, pues es un hecho que depende de ella al 100%.
Una de las principales fuentes de energía de la que se abastece la Tierra es la luz solar; en este punto, es importante que conozcas que de toda la energía que el sol emite y la que llega al planeta, los seres humanos solo captamos y utilizamos menos del 1%; sin embargo, en ecosistemas como los bosques tropicales, está insignificante cantidad basta para producir cada año hasta 3.5 kilogramos de tejido vivo por metro cuadrado. Mientras que, en otros, algunos organismos llegan a obtener su energía de fuentes muy distintas, pues dependen de la que se encuentra almacenada en compuestos químicos inorgánicos, como el agua de mineral que fluye del subsuelo o brota de los manantiales, la cual está cargada de energía química.
Es importante que tomes en cuenta que la energía que llega del sol a la superficie de la Tierra y a los océanos, lo hace en forma de radiaciones electromagnéticas y se fija por medio del proceso de fotosíntesis que realizan los vegetales clorofílicos y que gracias a ello se producen elementos tales como oxígeno libre, agua, glucosa, hidratos de carbono, entre otros. A partir de los hidratos de carbono sintetizados, los vegetales que pueden fabricar todos los demás compuestos, como proteínas, lípidos y otros hidratos de carbono. Finalmente, la energía que resta es transformada por las plantas en biomasa, la cual es depositada en el suelo en forma de raíces, es decir, un tejido leñoso y herbáceo; dicho material que es energía almacenada se traslada al segundo nivel trófico que comprende a los herbívoros, los descomponedores y los que se alimentan de detritos.
En cada escalón trófico los organismos convierten menos energía en biomasa, por lo que cuantos más espacios se produzcan entre un productor y el consumidor final, la energía que va quedando disponible es menor.
En una sucesión trófica, es muy raro ver que lleguen a existir más de cuatro eslabones o niveles, pues con el tiempo, toda la energía que se transfiere por medio de los niveles tróficos se pierde automáticamente en forma de calor, por lo que es difícil que se mantenga, además de perder su capacidad de generar trabajo útil o entropía.
Ahora bien, ¿Qué ocurre con la energía de un ecosistema cuando un organismo se come a otro? Dicha energía se desplaza en un solo sentido; en estricto orden de ideas, la energía fluye a través de un ecosistema en una dirección: del sol o de los compuesto inorgánicos a los autótrofos (productores) y luego a los distintos heterótrofos (consumidores); las relaciones entre estos conectan a los organismos en una red de alimentación basada en quien se come a quien.
La energía almacenada en los productores puede recorrer un largo camino dentro del ecosistema por medio de una cadena alimentaria, en etapas donde los organismos transfieren energía al comer y ser comidos; como un ejemplo de ello tienes al ecosistema de pradera, donde la cadena alimenticia consiste en un productor que es la hierba, de la cual se alimenta un herbívoro que pasta; y a su vez el herbívoro alimenta al carnívoro, en este caso puedes observar que el carnívoro solo se ubica a dos etapas del productor.
Las cadenas alimenticias nos muestran en sentido fluye la energía a través de un ecosistema.
En la siguiente imagen se representa la manera de como fluye la energía a través de los diferentes niveles tróficos, así como la manera en que se restituye en forma de materia orgánica, las flechas indican la dirección de este proceso.
Ilustración 3. Flujo de materia y energía a través de la pirámide trófica.
2. 1. 1. Fuente primaria energética.
El ser humano puede valerse de distintos recursos tales como el viento, el agua y el sol, entre otros, para obtener energía a fin de realizar algún trabajo o tener algún beneficio; desde tiempos inmemorables en que la humanidad empezó a usar elementos nuevos para su hábitat, uno de los primeros instrumentos fue el fuego para cocinar sus alimentos y tener calor en su vivienda, pasando por los molinos de viento para triturar y moler el trigo en la Edad Media, hasta llegar a la época actual en la que se obtuvo la energía eléctrica mediante la modificación de las propiedades de los átomos.
Lo anterior deja ver que desde siempre el humano ha buscado diversas fuentes de energía de las cuales obtener provecho, estas nuevas energías se derivan de la transformación de los combustibles fósiles; por ejemplo, el carbón que hace funcionar a las máquinas de vapor, y la tracción en los ferrocarriles. Por otro lado, el petróleo y lo que se deriva de el al transformarlo, utilizado en el transporte. Otras energías que tienen un aprovechamiento a menor escala son la eólica y la hidráulica.
Con estos modelos de producción energética se genera empobrecimiento en los recursos fósiles, sin que se piense en su posible reposición, pues tardarían millones de años para volver a formarse. Así, al buscar mejores fuentes de energía, además de intentar fortalecer sus economías y reducir la interdependencia que tienen de los territorios ajenos a los suyos, ya que por obvias razones los suyos se encuentran sobre explotados y con un agotamiento casi total, lo que también los ha motivado usar otros tipos de energías, tales como la nuclear e hídrica.
Desde los últimos años del siglo XIX se ha cuestionado el modelo energético basado en hidrocarburos por dos motivos:
1. Los problemas ambientales generados por el exceso y abuso de la quema de combustibles fósiles, donde destaca la producción de smog en las grandes ciudades por el gran parque vehicular que poseen y la falta de regulación de este, o el calentamiento global del planeta.
2. Los grandes riesgos en el uso de la energía nuclear, y que se han manifestado en algunos países como lo sucedido en Chernóbil y Fukushima, así como el uso bélico que se está generando con ella en países de medio oriente.
A lo largo del tiempo, el hombre ha sacado provecho de diversas fuentes de energía, por ejemplo: sol, viento, agua, calor, entre otras, cuya ventaja es que se pueden reutilizar y renovar, mientras que otras no. al respecto, a continuación, se revisa la clasificación de las fuentes de energía.
Las fuentes de energía pueden ser divididas en:
· Renovable: Son energías que se regeneran con mayor facilidad.
· No renovable: Son aquellas energías que tardan muchísimo tiempo en regenerarse.
La energía contenida en los combustibles crudos, es decir, sin que haya pasado por un proceso de transformación, es considerada una fuente primaria de energía renovable, la cual puede usarse de manera directa para que pueda ser transformada en energía secundaria y finalmente utilizada. En la industria energética se observan diferentes etapas para la producción de energía, las cuales son: generación, almacenamiento, transformación en energía secundaria, y consumo como una energía final.
Es importante que también tomes en cuenta la existencia de la energía mecánica, la cual puedes encontrar en un simple salto de agua utilizado para generar electricidad, y está puede ser usada de diferentes maneras: iluminación, producción de frío y calor, entre otras, existen diversas técnicas para producir energía.
En la producción de energía se presenta una serie de transformaciones consecutivas, formando una cadena energética en la que cada transformación se caracteriza por su rendimiento, el cual es siempre inferior por las pérdidas ocurridas en los procesos. El concepto de fuente primaria energética se utiliza generalmente en la estadística energética durante la compilación de los balances energéticos, pero se suele identificar con energía primaria la que resulta de las primeras transformaciones, y como energía final la que llega al usuario final. Dichas energías (primaria y final) son las que se utilizan como datos en las estadísticas de uso de energía.
A continuación, se enlistan las diferentes formas de energía primaria:
· Energía humana y animal.
· Energía mecánica.
· Energía química.
· Energía nuclear.
· Energía solar.
· Energía térmica terrestre.
A manera de conclusión, se puede decir que las fuentes primarias de energía son los recursos de energía útil que tienen diversas aplicaciones.
2. 1. 2. Movimientos y transformaciones.
Los movimientos y transformaciones de la energía en un ecosistema se dan por medio de los flujos de energía; este movimiento y transformación de energía se produce dentro del ecosistema cuando la materia y energía pasa de un nivel a otro nivel trófico, a lo que se le denomina cadenas tróficas o alimenticias.
Si caracterizamos los niveles tróficos, podemos decir que el nivel trófico se refiere a la posición que tienen los organismo dentro de una cadena alimenticia; es decir, al inicio se ubican los autótrofos (que son la base de la cadena), después los que se alimentan de ellos, conocidos como herbívoros o consumidores primarios, y finalmente los que se alimentan de estos últimos, llamados carnívoros o consumidores secundarios.
Las cadenas tróficas se presentan como las rutas que sigue el alimento, que va desde el productor hasta un consumidor final. Para aclarar está idea a continuación te presentamos un ejemplo de una cadena dentro de un ecosistema específico:
En el ejemplo anterior se representa al productor del lado izquierdo y al consumidor al final del lado derecho y es posible identificar al autótrofo (pasto) y a los heterótrofos (también clasificados como herbívoros, carnívoros, etc.) reconociendo que el halcón sería el consumidor cuaternario.
Las cadenas alimenticias se pueden representar con tres eslabones como mínimo y con seis eslabones como máximo. Ejemplos de ambos casos son los siguientes:
La forma más realista de representar quien se come a quien se llama red alimenticia, como lo muestra el siguiente gráfico:
Ilustración 4. Red trófica.
Un concepto importante dentro de los niveles tróficos es el de biomasa, la cual debe entenderse como el peso combinado de los organismos en conjunto dentro del ecosistema. Se encuentra distribuida a lo largo de los niveles tróficos, mientras más retirado este el nivel trófico de su fuente (productor) menos biomasa tendrá. Está reducción que sufre la biomasa se debe a distintas razones:
· No todos los individuos en los niveles inferiores son comidos.
· No todo lo que es comido es digerido o transformado.
· Siempre hay una pérdida de energía en forma de calor.
El flujo de energía se realiza de la siguiente forma en una red trófica: los productores primarios pueden obtener la energía del sol para realizar su proceso de biosíntesis, mientras que los otros organismos, que no son capaces de realizar la transformación de energía, la tienen que obtener de manera directa o indirecta de los productores primarios. A está secuencia de relaciones de producción-consumo, a través de las cuales fluye la energía, se le denomina cadena trófica.
En la siguiente imagen se observa la transformación o movimiento de la energía desde el primer nivel hasta el último, que está representado por los saprofitos y detritívoros. Por lo que se representa un esquema simplificado de la cadena trófica. Las líneas azules indican transferencia de energía, mientras las amarillas representan consumo.
Ilustración 5. Cadena trófica.
A manera de conclusión, se puede decir que el movimiento de energía se da en un ecosistema por medio de los niveles tróficos o cadenas alimenticias. En este sentido, no toda la energía absorbida se encuentra disponible en el nivel siguiente (al porcentaje de energía transferida de una nivel al siguiente de la cadena trófica se le conoce como eficiencia ecológica).
2. 1. 3. Capacidad de un ecosistema para la fijación de energía.
El ecosistema incluye la transformación, circulación, acumulación tanto de energía como de materia mediante el funcionamiento de los organismos vivientes y sus actividades, por lo que en ellos se ubica una gran variedad de procesos a través de los cuales se puede fijar la energía, mientras está fluye hacia diferentes organismos que la componen.
La captación y transformación de la energía emitida por el sol en la materia es un trabajo que realizan los vegetales y plantas mediante la fotosíntesis, que es un intercambio bioquímico que permite fijar la energía radiante del sol, transformándola en energía disponible para otros seres vivos, y un proceso vital para el desarrollo de la vida en el planeta Tierra.
Al proceso de fijación y transformación de energía antes mencionado se le denomina productividad primaria, la cual es el motor verdadero de todo ecosistema, así como los procesos de captación y transformación de energía posteriores.
Dentro de la ecología, al concepto de producción primaria se le denomina a la producción de materia orgánica, la cual se lleva a cabo por los organismos autótrofos mediante la fotosíntesis o quimiosíntesis. Está producción primaria es el punto de partida del flujo de energía y los nutrientes a través de las cadenas tróficas. La producción primaria se toma como el incremento de biomasa por unidad de tiempo de los productores.
La producción primaria es generada por los organismos autótrofos, es decir, los productores, e indica la energía solar que los vegetales pueden almacenar mediante el proceso de la fotosíntesis.
La producción primaria bruta se indica como PPB y es la cantidad total de la energía fijada por los productores; si a está le descuentas la energías consumida por las funciones vitales de un organismo (respiración celular) obtendrás la producción primaria neta (PPN), la cual representa la cantidad de biomasa que se encuentra a disposición del siguiente nivel, es decir, la productividad primaria neta implica la producción de materia orgánica a partir de la inorgánica, realizada por los autótrofos, donde la biomasa generada primariamente es utilizada por sus propios productores para obtener de ahí la energía y la construcción de sus estructuras orgánicas.
La siguiente imagen muestra como circula y se fija la energía en los ecosistemas por medio de los diferentes niveles tróficos, así como las pérdidas de energía que se dan entre un nivel y otro.
Ilustración 6. Flujo y fijación de la energía en un ecosistema.
Ilustración 7. Producción primaria neta por unidad de superficie de los ecosistemas comunes del mundo.
2. 1. 4. Fotosíntesis y fijación de carbono.
La fotosíntesis es el proceso que utilizan los vegetales y las plantas para convertir la energía luminosa emitida por el sol en energía química. Con esta energía química el CO2, H2O y los nitratos que absorben las plantas reaccionan fijando el carbono al sintetizar las moléculas de los carbohidratos tales como la glucosa, el almidón y la celulosa, entre otros, así como los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos que conforman la estructura viva de una planta, este es el proceso mediante el cual el carbono queda como parte estructural y funcional de los organismos.
Las plantas logran crecer y desarrollarse gracias a este proceso, pero también realizan el proceso de la respiración cuando no logran obtener la energía necesaria por la fotosíntesis, ya sea que hay suficiente luz o porque mantienen sus estomas (pequeños orificios de las plantas) cerrados. Cuando respiran las plantas se oxidan las moléculas que contienen oxígeno del aire para obtener la energía para sus procesos vitales y lograr sobrevivir.
Es importante señalar que la vida que se desarrolla en este mundo se mantiene gracias al proceso de fotosíntesis que realizan las plantas, tanto en el medio acuático como en el terrestre, donde logran tener la capacidad de sintetizar la materia orgánica imprescindible para constituir los seres vivos, tomando como partida a la luz y a la materia inorgánica.
Ilustración 8. Fotosíntesis.
Ilustración 9. Fijación del carbono.
