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46.2: Flujo de energía a través de ecosistemas - Biología

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46.2: Flujo de energía a través de los ecosistemas

46.2: Flujo de energía a través de ecosistemas - Biología

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Describir cómo los organismos adquieren energía en una red alimentaria y en las cadenas alimentarias asociadas.
  • Explicar cómo la eficiencia de las transferencias de energía entre niveles tróficos afecta la estructura y la dinámica del ecosistema.
  • Discutir los niveles tróficos y cómo se utilizan las pirámides ecológicas para modelarlos.

Todos los seres vivos requieren energía de una forma u otra. La energía es requerida por la mayoría de las vías metabólicas complejas (a menudo en forma de trifosfato de adenosina, ATP), especialmente las responsables de construir moléculas grandes a partir de compuestos más pequeños, y la vida misma es un proceso impulsado por la energía. Los organismos vivos no podrían ensamblar macromoléculas (proteínas, lípidos, ácidos nucleicos y carbohidratos complejos) a partir de sus subunidades monoméricas sin un aporte constante de energía.

Es importante comprender cómo los organismos adquieren energía y cómo esa energía pasa de un organismo a otro a través de las redes alimentarias y las cadenas alimentarias que las constituyen. Las redes tróficas ilustran cómo la energía fluye direccionalmente a través de los ecosistemas, incluida la eficiencia con la que los organismos la adquieren, utilizan y cuánto queda para ser utilizada por otros organismos de la red trófica.

Cómo los organismos adquieren energía en una red alimentaria

Los seres vivos adquieren energía de tres formas: la fotosíntesis, la quimiosíntesis y el consumo y la digestión de otros organismos vivos o previamente vivos por los heterótrofos.

Los organismos fotosintéticos y quimiosintéticos se agrupan en una categoría conocida como autótrofos: organismos capaces de sintetizar su propio alimento (más específicamente, capaces de utilizar carbono inorgánico como fuente de carbono). Los autótrofos fotosintéticos (fotoautótrofos) utilizan la luz solar como fuente de energía, mientras que los autótrofos quimiosintéticos (quimioautótrofos) utilizan moléculas inorgánicas como fuente de energía. Los autótrofos son fundamentales para todos los ecosistemas. Sin estos organismos, la energía no estaría disponible para otros organismos vivos y la vida misma no sería posible.

Los fotoautótrofos, como las plantas, las algas y las bacterias fotosintéticas, sirven como fuente de energía para la mayoría de los ecosistemas del mundo. Estos ecosistemas a menudo se describen mediante el pastoreo de redes tróficas. Los fotoautótrofos aprovechan la energía solar del sol convirtiéndola en energía química en forma de ATP (y NADP). La energía almacenada en ATP se utiliza para sintetizar moléculas orgánicas complejas, como la glucosa.

Los quimioautótrofos son principalmente bacterias que se encuentran en ecosistemas raros donde la luz solar no está disponible, como los asociados con cuevas oscuras o respiraderos hidrotermales en el fondo del océano ((Figura)). Muchos quimioautótrofos en respiraderos hidrotermales usan sulfuro de hidrógeno (H2S), que se libera de los conductos de ventilación como fuente de energía química. Esto permite a los quimioautótrofos sintetizar moléculas orgánicas complejas, como la glucosa, para su propia energía y, a su vez, suministra energía al resto del ecosistema.

Figura 1. Camarones nadadores, algunas langostas en cuclillas y cientos de mejillones de ventilación se ven en una ventilación hidrotermal en el fondo del océano. Como no penetra la luz del sol a esta profundidad, el ecosistema está respaldado por bacterias quimioautótrofas y material orgánico que se hunde desde la superficie del océano. Esta fotografía fue tomada en 2006 en el volcán sumergido NW Eifuku frente a la costa de Japón por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA). La cumbre de este volcán de gran actividad se encuentra a 1535 m por debajo de la superficie.

Productividad dentro de los niveles tróficos

La productividad dentro de un ecosistema se puede definir como el porcentaje de energía que ingresa al ecosistema incorporada a la biomasa en un nivel trófico particular. La biomasa es la masa total, en una unidad de área en el momento de la medición, de organismos vivos o previamente vivos dentro de un nivel trófico. Los ecosistemas tienen cantidades características de biomasa en cada nivel trófico. Por ejemplo, en el ecosistema del Canal de la Mancha los productores primarios representan una biomasa de 4 g / m 2 (gramos por metro cuadrado), mientras que los consumidores primarios exhiben una biomasa de 21 g / m 2.

La productividad de los productores primarios es especialmente importante en cualquier ecosistema porque estos organismos aportan energía a otros organismos vivos mediante fotoautotrofia o quimioautotrofia. La velocidad a la que los productores primarios fotosintéticos incorporan la energía del sol se denomina productividad primaria bruta. Un ejemplo de productividad primaria bruta se muestra en el diagrama de compartimentos del flujo de energía dentro del ecosistema acuático de Silver Springs como se muestra ((Figura)). En este ecosistema, la energía total acumulada por los productores primarios (productividad primaria bruta) resultó ser de 20,810 kcal / m 2 / año.

Debido a que todos los organismos necesitan usar parte de esta energía para sus propias funciones (como la respiración y la pérdida de calor metabólica resultante), los científicos a menudo se refieren a la productividad primaria neta de un ecosistema. La productividad primaria neta es la energía que permanece en los productores primarios después de tener en cuenta la respiración y la pérdida de calor de los organismos. La productividad neta está entonces disponible para los consumidores primarios en el siguiente nivel trófico. En nuestro ejemplo de Silver Springs, 13.187 de las 20.810 kcal / m 2 / año se utilizaron para la respiración o se perdieron como calor, dejando 7.633 kcal / m 2 / año de energía para uso de los consumidores primarios.

Eficiencia ecológica: la transferencia de energía entre niveles tróficos

Como se ilustra en ((Figura)), a medida que la energía fluye de los productores primarios a través de los distintos niveles tróficos, el ecosistema pierde grandes cantidades de energía. La razón principal de esta pérdida es la segunda ley de la termodinámica, que establece que siempre que la energía se convierte de una forma a otra, existe una tendencia al desorden (entropía) en el sistema. En los sistemas biológicos, esta energía toma la forma de calor metabólico, que se pierde cuando los organismos consumen otros organismos. En el ejemplo del ecosistema de Silver Springs ((Figura)), vemos que los consumidores primarios produjeron 1103 kcal / m 2 / año de las 7618 kcal / m 2 / año de energía disponible para ellos de los productores primarios. La medición de la eficiencia de transferencia de energía entre dos niveles tróficos sucesivos se denomina eficiencia de transferencia de nivel trófico (TLTE) y se define mediante la fórmula:

En Silver Springs, el TLTE entre los dos primeros niveles tróficos fue de aproximadamente el 14,8 por ciento. La baja eficiencia de la transferencia de energía entre niveles tróficos suele ser el factor principal que limita la longitud de las cadenas alimentarias observadas en una red alimentaria. El hecho es que, después de cuatro a seis transferencias de energía, no queda suficiente energía para mantener otro nivel trófico. En el ejemplo del lago Ontario que se muestra en ((Figura)), solo ocurrieron tres transferencias de energía entre el productor primario (algas verdes) y el consumidor principal (salmón Chinook).

Los ecologistas tienen muchos métodos diferentes para medir las transferencias de energía dentro de los ecosistemas. La dificultad de la medición depende de la complejidad del ecosistema y de cuánto acceso tienen los científicos para observar el ecosistema. En otras palabras, algunos ecosistemas son más difíciles de estudiar que otros y, en ocasiones, es necesario estimar la cuantificación de las transferencias de energía.

Otros parámetros son importantes para caracterizar el flujo de energía dentro de un ecosistema. La eficiencia de producción neta (NPE) permite a los ecólogos cuantificar la eficiencia con la que los organismos de un nivel trófico particular incorporan la energía que reciben en la biomasa, se calcula utilizando la siguiente fórmula:

La productividad neta del consumidor es el contenido energético disponible para los organismos del siguiente nivel trófico. La asimilación es la biomasa (contenido energético generado por unidad de área) del nivel trófico actual después de tener en cuenta la energía perdida debido a la ingestión incompleta de alimentos, la energía utilizada para la respiración y la energía perdida como desperdicio. La ingestión incompleta se refiere al hecho de que algunos consumidores comen solo una parte de sus alimentos. Por ejemplo, cuando un león mata a un antílope, se comerá todo menos la piel y los huesos. Al león le falta la médula ósea rica en energía dentro del hueso, por lo que el león no utiliza todas las calorías que su presa podría proporcionar.

Por lo tanto, NPE mide la eficiencia con la que cada nivel trófico utiliza e incorpora la energía de sus alimentos en la biomasa para alimentar el siguiente nivel trófico. En general, los animales de sangre fría (ectotermos), como invertebrados, peces, anfibios y reptiles, utilizan menos energía que obtienen para la respiración y el calor que los animales de sangre caliente (endotermos), como aves y mamíferos. El calor extra generado en las endotermas, aunque es una ventaja en términos de la actividad de estos organismos en ambientes más fríos, es una gran desventaja en términos de NPE. Por lo tanto, muchos endotermos tienen que comer con más frecuencia que los ectotermos para obtener la energía que necesitan para sobrevivir. En general, la NPE para los ectotermos es un orden de magnitud (10x) mayor que para los endotermos. Por ejemplo, el NPE para una oruga que come hojas se ha medido en un 18 por ciento, mientras que el NPE para una ardilla que come bellotas puede ser tan bajo como un 1,6 por ciento.

La ineficiencia del uso de energía por los animales de sangre caliente tiene amplias implicaciones para el suministro de alimentos del mundo. Está ampliamente aceptado que la industria cárnica utiliza grandes cantidades de cultivos para alimentar al ganado y, debido a que el NPE es bajo, se pierde gran parte de la energía de la alimentación animal. Por ejemplo, cuesta alrededor de 0,01 libras esterlinas producir 1000 calorías dietéticas (kcal) de maíz o soja, pero aproximadamente 0,19 libras esterlinas producir una cantidad similar de calorías en la cría de ganado para consumo de carne. El mismo contenido energético de la leche de ganado también es costoso, aproximadamente 0,16 por 1000 kcal. Gran parte de esta diferencia se debe a la baja NPE del ganado. Por lo tanto, ha habido un movimiento creciente en todo el mundo para promover el consumo de alimentos no cárnicos y no lácteos para que se desperdicie menos energía alimentando animales para la industria cárnica.

Modelado del flujo de energía de los ecosistemas: pirámides ecológicas

La estructura de los ecosistemas se puede visualizar con pirámides ecológicas, que fueron descritas por primera vez por los estudios pioneros de Charles Elton en la década de 1920. Las pirámides ecológicas muestran las cantidades relativas de varios parámetros (como el número de organismos, la energía y la biomasa) en los niveles tróficos.

Las pirámides de números pueden ser verticales o invertidas, según el ecosistema. Como se muestra en la (Figura), los pastizales típicos durante el verano tienen una base de muchas plantas y la cantidad de organismos disminuye en cada nivel trófico. Sin embargo, durante el verano en un bosque templado, la base de la pirámide consta de pocos árboles en comparación con el número de consumidores primarios, en su mayoría insectos. Debido a que los árboles son grandes, tienen una gran capacidad fotosintética y dominan otras plantas en este ecosistema para obtener luz solar. Incluso en cantidades más pequeñas, los productores primarios de los bosques todavía son capaces de soportar otros niveles tróficos.

Otra forma de visualizar la estructura del ecosistema es con pirámides de biomasa. Esta pirámide mide la cantidad de energía convertida en tejido vivo en los diferentes niveles tróficos. Usando el ejemplo del ecosistema de Silver Springs, estos datos muestran una pirámide de biomasa vertical ((Figura)), mientras que la pirámide del ejemplo del Canal de la Mancha está invertida. Las plantas (productores primarios) del ecosistema de Silver Springs constituyen un gran porcentaje de la biomasa que se encuentra allí. Sin embargo, el fitoplancton en el ejemplo del Canal de la Mancha constituye menos biomasa que los consumidores primarios, el zooplancton. Al igual que con las pirámides de números invertidas, esta pirámide invertida no se debe a la falta de productividad de los productores primarios, sino a la alta tasa de rotación del fitoplancton. El fitoplancton es consumido rápidamente por los consumidores primarios, minimizando así su biomasa en un momento determinado. Sin embargo, el fitoplancton se reproduce rápidamente, por lo que puede mantener al resto del ecosistema.

El modelado de ecosistemas piramidales también se puede utilizar para mostrar el flujo de energía a través de los niveles tróficos. Tenga en cuenta que estos números son los mismos que los utilizados en el diagrama del compartimento de flujo de energía en ((Figura)). Las pirámides de energía siempre están en posición vertical y no se puede mantener un ecosistema sin suficiente productividad primaria. Todos los tipos de pirámides ecológicas son útiles para caracterizar la estructura del ecosistema. Sin embargo, en el estudio del flujo de energía a través del ecosistema, las pirámides de energía son los modelos más consistentes y representativos de la estructura del ecosistema ((Figura)).

Conexión de arte

Figura 2. Las pirámides ecológicas representan (a) la biomasa, (b) el número de organismos y (c) la energía en cada nivel trófico.

Las pirámides que representan la cantidad de organismos o biomasa pueden estar invertidas, erguidas o incluso en forma de diamante. Las pirámides de energía, sin embargo, siempre están en posición vertical. ¿Por qué?

Las pirámides de organismos pueden estar invertidas o en forma de diamante porque un organismo grande, como un árbol, puede sostener muchos organismos más pequeños. Del mismo modo, una biomasa baja de organismos puede sostener una biomasa mayor en el siguiente nivel trófico porque los organismos se reproducen rápidamente y, por lo tanto, proporcionan un alimento continuo. Las pirámides de energía, sin embargo, siempre deben estar en posición vertical debido a las leyes de la termodinámica. La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se puede crear ni destruir, por lo que cada nivel trófico debe adquirir energía del nivel trófico inferior. La segunda ley de la termodinámica establece que, durante la transferencia de energía, siempre se pierde algo de energía en forma de calor, por lo que hay menos energía disponible en cada nivel trófico superior.

Consecuencias de las redes tróficas: magnificación biológica

Una de las consecuencias ambientales más importantes de la dinámica de los ecosistemas es la biomagnificación. La biomagnificación es la concentración creciente de sustancias tóxicas persistentes en los organismos en cada nivel trófico, desde los productores primarios hasta los consumidores principales. Se ha demostrado que muchas sustancias se bioacumulan, incluido el pesticida DicloroDiphenyltrichloroetano (DDT), que se describió en el bestseller de la década de 1960, Primavera silenciosa, de Rachel Carson. El DDT era un pesticida de uso común antes de que se conocieran sus peligros. En algunos ecosistemas acuáticos, los organismos de cada nivel trófico consumieron muchos organismos del nivel inferior, lo que provocó que aumentara el DDT en las aves (consumidores ápice) que comían pescado. Por lo tanto, las aves acumularon cantidades suficientes de DDT para causar fragilidad en la cáscara de sus huevos. Este efecto aumentó la rotura de los huevos durante la anidación y se demostró que tiene efectos adversos en estas poblaciones de aves. El uso de DDT fue prohibido en los Estados Unidos en la década de 1970.

Otras sustancias que se biomagnifican son los bifenilos policlorados (PCB), que se usaban en líquidos refrigerantes en Estados Unidos hasta que se prohibió su uso en 1979, y metales pesados, como mercurio, plomo y cadmio. Estas sustancias se estudiaron mejor en los ecosistemas acuáticos, donde las especies de peces en diferentes niveles tróficos acumulan sustancias tóxicas traídas a través del ecosistema por los productores primarios. Como se ilustra en un estudio realizado por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) en la bahía Saginaw del lago Huron ((Figura)), las concentraciones de PCB aumentaron desde los productores primarios del ecosistema (fitoplancton) a través de los diferentes niveles tróficos de especies de peces. El consumidor principal (lucioperca) tiene más de cuatro veces la cantidad de PCB en comparación con el fitoplancton. Además, según los resultados de otros estudios, las aves que comen estos peces pueden tener niveles de PCB al menos un orden de magnitud más altos que los que se encuentran en los peces del lago.

Figura 3. Este gráfico muestra las concentraciones de PCB que se encuentran en los distintos niveles tróficos en el ecosistema de la bahía de Saginaw en el lago Huron. Los números en el eje x reflejan el enriquecimiento con isótopos pesados ​​de nitrógeno (15N), que es un marcador del aumento del nivel trófico. Observe que los peces de los niveles tróficos más altos acumulan más PCB que los de los niveles tróficos más bajos. (crédito: Patricia Van Hoof, NOAA, GLERL)

Se han planteado otras preocupaciones por la acumulación de metales pesados, como mercurio y cadmio, en ciertos tipos de mariscos. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) recomienda que las mujeres embarazadas y los niños pequeños no consuman pez espada, tiburón, caballa real o blanquillo debido a su alto contenido de mercurio. Se aconseja a estas personas que consuman pescado con bajo contenido de mercurio: salmón, tilapia, camarones, abadejo y bagre. La biomagnificación es un buen ejemplo de cómo la dinámica de los ecosistemas puede afectar nuestra vida cotidiana, incluso influyendo en los alimentos que comemos.

Resumen de la sección

Los organismos de un ecosistema adquieren energía de diversas formas, que se transfiere entre niveles tróficos a medida que la energía fluye desde la parte inferior hacia la parte superior de la red trófica, y la energía se pierde en cada transferencia. La eficiencia de estas transferencias es importante para comprender los diferentes comportamientos y hábitos alimenticios de los animales de sangre caliente frente a los de sangre fría. El modelado de la energía del ecosistema se realiza mejor con pirámides ecológicas de energía, aunque otras pirámides ecológicas proporcionan otra información vital sobre la estructura del ecosistema.

Conexiones de arte

(Figura) Las pirámides que representan la cantidad de organismos o biomasa pueden estar invertidas, erguidas o incluso en forma de diamante. Las pirámides de energía, sin embargo, siempre están en posición vertical. ¿Por qué?

(Figura) Las pirámides de organismos pueden estar invertidas o en forma de diamante porque un organismo grande, como un árbol, puede sostener muchos organismos más pequeños. Del mismo modo, una biomasa baja de organismos puede sostener una biomasa mayor en el siguiente nivel trófico porque los organismos se reproducen rápidamente y, por lo tanto, proporcionan un alimento continuo. Las pirámides de energía, sin embargo, siempre deben estar en posición vertical debido a las leyes de la termodinámica. La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se puede crear ni destruir, por lo que cada nivel trófico debe adquirir energía del nivel trófico inferior. La segunda ley de la termodinámica establece que, durante la transferencia de energía, siempre se pierde algo de energía en forma de calor, por lo que hay menos energía disponible en cada nivel trófico superior.

Preguntas de revisión

El peso de los organismos vivos en un ecosistema en un momento determinado se denomina:


Flujo de energía a través de los ecosistemas

Todos los seres vivos requieren energía de una forma u otra. La energía es requerida por la mayoría de las vías metabólicas complejas (a menudo en forma de trifosfato de adenosina, ATP), especialmente las responsables de construir moléculas grandes a partir de compuestos más pequeños, y la vida misma es un proceso impulsado por la energía. Los organismos vivos no podrían ensamblar macromoléculas (proteínas, lípidos, ácidos nucleicos y carbohidratos complejos) a partir de sus subunidades monoméricas sin un aporte constante de energía.

Es importante comprender cómo los organismos adquieren energía y cómo esa energía pasa de un organismo a otro a través de las redes alimentarias y las cadenas alimentarias que las constituyen. Las redes tróficas ilustran cómo la energía fluye direccionalmente a través de los ecosistemas, incluida la eficiencia con la que los organismos la adquieren, la utilizan y la cantidad que queda para ser utilizada por otros organismos de la red trófica.

Cómo los organismos adquieren energía en una red alimentaria

Energía es adquirido por los seres vivos de tres formas: la fotosíntesis, la quimiosíntesis y el consumo y digestión de otros organismos vivos o previamente vivos por los heterótrofos.

Fotosintético y quimiosintético Los organismos se agrupan en una categoría conocida como autótrofos: organismos capaces de sintetizar su propio alimento (más específicamente, capaces de utilizar carbono inorgánico como fuente de carbono). Autótrofos fotosintéticos (fotoautótrofos) utilizan la luz solar como fuente de energía, mientras que los autótrofos quimiosintéticos (quimioautótrofos) utilizan moléculas inorgánicas como fuente de energía. Los autótrofos son fundamentales para todos los ecosistemas. Sin estos organismos, la energía no estaría disponible para otros organismos vivos y la vida misma no sería posible.

Los fotoautótrofos, como las plantas, las algas y las bacterias fotosintéticas, sirven como fuente de energía para la mayoría de los ecosistemas del mundo. Estos ecosistemas a menudo se describen mediante el pastoreo de redes tróficas. Los fotoautótrofos aprovechan la energía solar del sol convirtiéndola en energía química en forma de ATP (y NADP). La energía almacenada en ATP se utiliza para sintetizar moléculas orgánicas complejas, como la glucosa.

Los quimioautótrofos son principalmente bacterias que se encuentran en ecosistemas raros donde la luz solar no está disponible, como los asociados con cuevas oscuras o respiraderos hidrotermales en el fondo del océano (Figura 1). Muchos quimioautótrofos en respiraderos hidrotermales usan sulfuro de hidrógeno (H2S), que se libera de los conductos de ventilación como fuente de energía química. Esto permite a los quimioautótrofos sintetizar moléculas orgánicas complejas, como la glucosa, para su propia energía y, a su vez, suministra energía al resto del ecosistema.

Figura 1: Se ven camarones nadadores, algunas langostas en cuclillas y cientos de mejillones de respiradero en un respiradero hidrotermal en el fondo del océano. Como no penetra la luz del sol a esta profundidad, el ecosistema está respaldado por bacterias quimioautótrofas y material orgánico que se hunde desde la superficie del océano. Esta fotografía fue tomada en 2006 en el volcán sumergido NW Eifuku frente a la costa de Japón por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA). La cumbre de este volcán de gran actividad se encuentra a 1535 m por debajo de la superficie. (crédito: NOAA. & # 8220Chemoautotrophs & # 8221 por OpenStax tiene licencia CC BY 4.0)

Productividad dentro de los niveles tróficos

Productividad dentro de un ecosistema se puede definir como el porcentaje de energía que ingresa al ecosistema incorporada a la biomasa en un nivel trófico particular. Biomasa es la masa total, en una unidad de área en el momento de la medición, de organismos vivos o previamente vivos dentro de un nivel trófico. Los ecosistemas tienen cantidades características de biomasa en cada nivel trófico. Por ejemplo, en el ecosistema del Canal de la Mancha, los productores primarios representan una biomasa de 4 g / m 2 (gramos por metro cuadrado), mientras que los consumidores primarios exhiben una biomasa de 21 g / m 2.

La productividad de los productores primarios es especialmente importante en cualquier ecosistema porque estos organismos aportan energía a otros organismos vivos mediante fotoautotrofia o quimioautotrofia. La velocidad a la que los productores primarios fotosintéticos incorporan la energía del sol se denomina productividad primaria bruta. Un ejemplo de productividad primaria bruta se muestra en el diagrama de compartimentos del flujo de energía dentro del ecosistema acuático de Silver Springs como se muestra (Figura 2). En este ecosistema, la energía total acumulada por los productores primarios (productividad primaria bruta) resultó ser de 20.810 kcal / m 2 / año.

Debido a que todos los organismos necesitan usar parte de esta energía para sus propias funciones (como la respiración y la pérdida de calor metabólica resultante), los científicos a menudo se refieren a la productividad primaria neta de un ecosistema. Productividad primaria neta es la energía que permanece en los productores primarios después de tener en cuenta la respiración y la pérdida de calor de los organismos. La productividad neta está entonces disponible para los consumidores primarios en el siguiente nivel trófico. En nuestro ejemplo de Silver Spring, 13.187 de las 20.810 kcal / m 2 / año se utilizaron para la respiración o se perdieron como calor, dejando 7.632 kcal / m 2 / año de energía para uso de los consumidores primarios.

Eficiencia ecológica: la transferencia de energía entre niveles tróficos

Como se ilustra en la Figura 2, se pierden grandes cantidades de energía del ecosistema de un nivel trófico al siguiente nivel a medida que la energía fluye desde los productores primarios a través de los distintos niveles tróficos de consumidores y descomponedores.

Figura 2: Este modelo conceptual muestra el flujo de energía a través de un ecosistema de primavera en Silver Springs, Florida. Observe que la energía disminuye con cada aumento en el nivel trófico. (crédito: "energía a través de un ecosistema de primavera" de OpenStax tiene licencia CC BY 4.0)

La principal razón de esta pérdida es la segunda ley de la termodinámica, que establece que siempre que la energía se convierte de una forma a otra, hay una tendencia al desorden (entropía) en el sistema. En los sistemas biológicos, esto significa que se pierde una gran cantidad de energía como calor metabólico cuando los organismos de un nivel trófico consumen el siguiente nivel. En el ejemplo del ecosistema de Silver Springs, vemos que los consumidores primarios produjeron 1103 kcal / m 2 / año de las 7618 kcal / m 2 / año de energía disponible para ellos de los productores primarios. La medición de la eficiencia de transferencia de energía entre dos niveles tróficos sucesivos se denomina eficiencia de transferencia de nivel trófico (TLTE) y está definido por la fórmula:

En Silver Springs, el TLTE entre los dos primeros niveles tróficos fue de aproximadamente el 14,8 por ciento. La baja eficiencia de la transferencia de energía entre niveles tróficos suele ser el factor principal que limita la longitud de las cadenas alimentarias observadas en una red alimentaria. El hecho es que, después de cuatro a seis transferencias de energía, no queda suficiente energía para mantener otro nivel trófico. En el ejemplo del lago Ontario, solo se produjeron tres transferencias de energía entre el productor principal (algas verdes) y el consumidor principal (salmón Chinook).

Los ecologistas tienen muchos métodos diferentes para medir las transferencias de energía dentro de los ecosistemas. Algunas transferencias son más fáciles o más difíciles de medir según la complejidad del ecosistema y el acceso que tengan los científicos para observar el ecosistema. En otras palabras, algunos ecosistemas son más difíciles de estudiar que otros y, en ocasiones, es necesario estimar la cuantificación de las transferencias de energía.

Otro parámetro principal que es importante para caracterizar el flujo de energía dentro de un ecosistema es la eficiencia neta de producción. Eficiencia de producción neta (NPE) permite a los ecologistas cuantificar la eficiencia con la que los organismos de un nivel trófico particular incorporan la energía que reciben en la biomasa, se calcula utilizando la siguiente fórmula:

La productividad neta del consumidor es el contenido energético disponible para los organismos del siguiente nivel trófico. Asimilación es la biomasa (contenido energético generado por unidad de área) del nivel trófico actual después de tener en cuenta la energía perdida debido a la ingestión incompleta de alimentos, la energía utilizada para la respiración y la energía perdida como desperdicio. Iingestión completa se refiere al hecho de que algunos consumidores comen solo una parte de sus alimentos. Por ejemplo, cuando un león mata a un antílope, se comerá todo menos la piel y los huesos. Al león le falta la médula ósea rica en energía dentro del hueso, por lo que el león no utiliza todas las calorías que su presa podría proporcionar.

Por lo tanto, NPE mide la eficiencia con la que cada nivel trófico utiliza e incorpora la energía de sus alimentos en la biomasa para alimentar el siguiente nivel trófico. En general, los animales de sangre fría (ectotermos), como los invertebrados, peces, anfibios y reptiles, utilizan menos energía que obtienen para la respiración y el calor que los animales de sangre caliente (endotermos), como aves y mamíferos. El calor extra generado en las endotermas, aunque es una ventaja en términos de la actividad de estos organismos en ambientes más fríos, es una gran desventaja en términos de NPE. Por lo tanto, muchos endotermos tienen que comer con más frecuencia que los ectotermos para obtener la energía que necesitan para sobrevivir. En general, la NPE para los ectotermos es un orden de magnitud (10x) mayor que para los endotermos. Por ejemplo, el NPE para una oruga que come hojas se ha medido en un 18 por ciento, mientras que el NPE para una ardilla que come bellotas puede ser tan bajo como un 1,6 por ciento.

los ineficiencia de la energía el uso por animales de sangre caliente tiene amplias implicaciones para el suministro de alimentos del mundo. Está ampliamente aceptado que la industria cárnica utiliza grandes cantidades de cultivos para alimentar al ganado y, debido a que el NPE es bajo, se pierde gran parte de la energía de la alimentación animal. Por ejemplo, cuesta alrededor de 1 centavo producir 1000 calorías dietéticas (kcal) de maíz o soja, pero aproximadamente 19 para producir una cantidad similar de calorías en la cría de ganado para consumo de carne. El mismo contenido energético de la leche de ganado también es costoso, aproximadamente 0,16 por 1000 kcal. Gran parte de esta diferencia se debe a la baja NPE del ganado. Por lo tanto, ha habido un movimiento creciente en todo el mundo para promover el consumo de alimentos no cárnicos y no lácteos para que se desperdicie menos energía alimentando animales para la industria cárnica.

Modelado del flujo de energía de los ecosistemas: pirámides ecológicas

La estructura de los ecosistemas se puede visualizar con pirámides ecológicas, que fueron descritas por primera vez por los estudios pioneros de Charles Elton en la década de 1920. Pirámides ecológicas muestran las cantidades relativas de varios parámetros (como el número de organismos, energía y biomasa) en los niveles tróficos.

Las pirámides de números pueden ser verticales o invertidas, según el ecosistema. Como se muestra en la Figura 3, los pastizales típicos durante el verano tienen una base de muchas plantas y el número de organismos disminuye en cada nivel trófico. Sin embargo, durante el verano en un bosque templado, la base de la pirámide consta de pocos árboles en comparación con el número de consumidores primarios, en su mayoría insectos. Debido a que los árboles son grandes, tienen una gran capacidad fotosintética y dominan otras plantas en este ecosistema para obtener luz solar. Incluso en cantidades más pequeñas, los productores primarios de los bosques todavía son capaces de soportar otros niveles tróficos.

Otra forma de visualizar la estructura del ecosistema es con pirámides de biomasa. Esta pirámide mide la cantidad de energía convertida en tejido vivo en los diferentes niveles tróficos. Usando el ejemplo del ecosistema de Silver Springs, estos datos muestran una pirámide de biomasa vertical (Figura 3), mientras que la pirámide del ejemplo del Canal de la Mancha está invertida. Las plantas (productores primarios) del ecosistema de Silver Springs constituyen un gran porcentaje de la biomasa que se encuentra allí. Sin embargo, el fitoplancton en el ejemplo del Canal de la Mancha constituye menos biomasa que los consumidores primarios, el zooplancton. Al igual que con las pirámides de números invertidas, esta pirámide invertida no se debe a la falta de productividad de los productores primarios, sino a la alta tasa de rotación del fitoplancton. El fitoplancton es consumido rápidamente por los consumidores primarios, minimizando así su biomasa en un momento determinado. Sin embargo, el fitoplancton se reproduce rápidamente, por lo que puede mantener al resto del ecosistema.

El modelado de ecosistemas piramidales también se puede utilizar para mostrar el flujo de energía a través de los niveles tróficos. Pirámides de energía están siempre en posición vertical y no se puede soportar un ecosistema sin suficiente productividad primaria. Todos los tipos de pirámides ecológicas son útiles para caracterizar la estructura del ecosistema. Sin embargo, en el estudio del flujo de energía a través del ecosistema, las pirámides de energía son los modelos más consistentes y representativos de la estructura del ecosistema.

Figura 3: Las pirámides ecológicas representan (a) la biomasa, (b) el número de organismos y (c) la energía en cada nivel trófico. (crédito: & # 8220Ecological pyramids & # 8221 by OpenStax tiene licencia CC BY 4.0)

Consecuencias de las redes tróficas: magnificación biológica

Una de las consecuencias ambientales más importantes de la dinámica de los ecosistemas es biomagnificación. La biomagnificación es la concentración creciente de sustancias tóxicas persistentes en los organismos en cada nivel trófico, desde los productores primarios hasta los consumidores principales. Se ha demostrado que muchas sustancias bioacumular, incluidos los estudios clásicos con el plaguicida diclorodifeniltricloroetano (DDT), que se publicó en el bestseller de la década de 1960, Primavera silenciosa, de Rachel Carson. El DDT era un pesticida de uso común antes de que se conocieran sus peligros. En algunos ecosistemas acuáticos, los organismos de cada nivel trófico consumieron muchos organismos del nivel inferior, lo que provocó que aumentara el DDT en las aves (consumidores ápice) que comían pescado. Por lo tanto, las aves acumularon cantidades suficientes de DDT para causar fragilidad en la cáscara de sus huevos. Este efecto aumentó la rotura de los huevos durante la anidación y se demostró que tiene efectos adversos en estas poblaciones de aves. El uso de DDT fue prohibido en los Estados Unidos en la década de 1970.

Otras sustancias que se biomagnifican son bifenilos policlorados (PCB), que se utilizaron en líquidos refrigerantes en los Estados Unidos hasta que se prohibió su uso en 1979, y metales pesados, como mercurio, plomo y cadmio. Estas sustancias se estudiaron mejor en los ecosistemas acuáticos, donde las especies de peces en diferentes niveles tróficos acumulan sustancias tóxicas traídas a través del ecosistema por los productores primarios. Como se ilustra en un estudio realizado por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) en la Bahía Saginaw del Lago Huron (Figura 4), las concentraciones de PCB aumentaron desde los productores primarios del ecosistema (fitoplancton) a través de los diferentes niveles tróficos de especies de peces. El consumidor principal (lucioperca) tiene más de cuatro veces la cantidad de PCB en comparación con el fitoplancton. Además, según los resultados de otros estudios, las aves que comen estos peces pueden tener niveles de PCB al menos un orden de magnitud más altos que los que se encuentran en los peces del lago.

Figura 4: Este gráfico muestra las concentraciones de PCB que se encuentran en los distintos niveles tróficos en el ecosistema de la bahía de Saginaw en el lago Huron. Los números en el eje x reflejan el enriquecimiento con isótopos pesados ​​de nitrógeno (15N), que es un marcador del aumento del nivel trófico. Observe que los peces de los niveles tróficos más altos acumulan más PCB que los de los niveles tróficos más bajos. (crédito: Patricia Van Hoof, NOAA, GLERL. & # 8220PCB concentraciones & # 8221 por OpenStax tiene licencia bajo CC BY 4.0)

Se han planteado otras preocupaciones por la acumulación de metales pesados, como mercurio y cadmio, en ciertos tipos de mariscos. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) recomienda que las mujeres embarazadas y los niños pequeños no consuman pez espada, tiburón, caballa real o blanquillo debido a su alto contenido de mercurio. Se aconseja a estas personas que consuman pescado con bajo contenido de mercurio: salmón, tilapia, camarones, abadejo y bagre. La biomagnificación es un buen ejemplo de cómo la dinámica de los ecosistemas puede afectar nuestra vida cotidiana, incluso influyendo en los alimentos que comemos.

Resumen

Los organismos de un ecosistema adquieren energía de diversas formas, que se transfiere entre niveles tróficos a medida que la energía fluye desde la parte inferior hacia la parte superior de la red trófica, y la energía se pierde en cada transferencia. La eficiencia de estas transferencias es importante para comprender los diferentes comportamientos y hábitos alimenticios de los animales de sangre caliente frente a los de sangre fría. El modelado de la energía del ecosistema se realiza mejor con pirámides ecológicas de energía, aunque otras pirámides ecológicas proporcionan otra información vital sobre la estructura del ecosistema.


249 Flujo de energía a través de los ecosistemas

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Describir cómo los organismos adquieren energía en una red alimentaria y en las cadenas alimentarias asociadas.
  • Explicar cómo la eficiencia de las transferencias de energía entre niveles tróficos afecta la estructura y la dinámica del ecosistema.
  • Discutir los niveles tróficos y cómo se utilizan las pirámides ecológicas para modelarlos.

Todos los seres vivos requieren energía de una forma u otra. La energía es requerida por la mayoría de las vías metabólicas complejas (a menudo en forma de trifosfato de adenosina, ATP), especialmente las responsables de construir moléculas grandes a partir de compuestos más pequeños, y la vida misma es un proceso impulsado por la energía. Los organismos vivos no podrían ensamblar macromoléculas (proteínas, lípidos, ácidos nucleicos y carbohidratos complejos) a partir de sus subunidades monoméricas sin un aporte constante de energía.

Es importante comprender cómo los organismos adquieren energía y cómo esa energía pasa de un organismo a otro a través de las redes alimentarias y las cadenas alimentarias que las constituyen. Las redes tróficas ilustran cómo la energía fluye direccionalmente a través de los ecosistemas, incluida la eficiencia con la que los organismos la adquieren, la utilizan y la cantidad que queda para ser utilizada por otros organismos de la red trófica.

Cómo los organismos adquieren energía en una red alimentaria

Los seres vivos adquieren energía de tres formas: la fotosíntesis, la quimiosíntesis y el consumo y la digestión de otros organismos vivos o previamente vivos por los heterótrofos.

Los organismos fotosintéticos y quimiosintéticos se agrupan en una categoría conocida como autótrofos: organismos capaces de sintetizar su propio alimento (más específicamente, capaces de utilizar carbono inorgánico como fuente de carbono). Los autótrofos fotosintéticos (fotoautótrofos) utilizan la luz solar como fuente de energía, mientras que los autótrofos quimiosintéticos (quimioautótrofos) utilizan moléculas inorgánicas como fuente de energía. Los autótrofos son fundamentales para todos los ecosistemas. Sin estos organismos, la energía no estaría disponible para otros organismos vivos y la vida misma no sería posible.

Los fotoautótrofos, como las plantas, las algas y las bacterias fotosintéticas, sirven como fuente de energía para la mayoría de los ecosistemas del mundo. Estos ecosistemas a menudo se describen mediante el pastoreo de redes tróficas. Los fotoautótrofos aprovechan la energía solar del sol convirtiéndola en energía química en forma de ATP (y NADP). La energía almacenada en ATP se utiliza para sintetizar moléculas orgánicas complejas, como la glucosa.

Los quimioautótrofos son principalmente bacterias que se encuentran en ecosistemas raros donde la luz solar no está disponible, como los asociados con cuevas oscuras o respiraderos hidrotermales en el fondo del océano ((Figura)). Muchos quimioautótrofos en respiraderos hidrotermales usan sulfuro de hidrógeno (H2S), que se libera de los conductos de ventilación como fuente de energía química. Esto permite a los quimioautótrofos sintetizar moléculas orgánicas complejas, como la glucosa, para su propia energía y, a su vez, suministra energía al resto del ecosistema.

Productividad dentro de los niveles tróficos

La productividad dentro de un ecosistema se puede definir como el porcentaje de energía que ingresa al ecosistema incorporada a la biomasa en un nivel trófico particular. La biomasa es la masa total, en una unidad de área en el momento de la medición, de organismos vivos o previamente vivos dentro de un nivel trófico. Los ecosistemas tienen cantidades características de biomasa en cada nivel trófico. Por ejemplo, en el ecosistema del Canal de la Mancha los productores primarios representan una biomasa de 4 g / m 2 (gramos por metro cuadrado), mientras que los consumidores primarios exhiben una biomasa de 21 g / m 2.

La productividad de los productores primarios es especialmente importante en cualquier ecosistema porque estos organismos aportan energía a otros organismos vivos mediante fotoautotrofia o quimioautotrofia. La velocidad a la que los productores primarios fotosintéticos incorporan la energía del sol se denomina productividad primaria bruta. Un ejemplo de productividad primaria bruta se muestra en el diagrama de compartimentos del flujo de energía dentro del ecosistema acuático de Silver Springs como se muestra ((Figura)). En este ecosistema, la energía total acumulada por los productores primarios (productividad primaria bruta) resultó ser de 20,810 kcal / m 2 / año.

Debido a que todos los organismos necesitan usar parte de esta energía para sus propias funciones (como la respiración y la pérdida de calor metabólica resultante), los científicos a menudo se refieren a la productividad primaria neta de un ecosistema. La productividad primaria neta es la energía que permanece en los productores primarios después de tener en cuenta la respiración y la pérdida de calor de los organismos. La productividad neta está entonces disponible para los consumidores primarios en el siguiente nivel trófico. En nuestro ejemplo de Silver Springs, 13.187 de las 20.810 kcal / m 2 / año se utilizaron para la respiración o se perdieron como calor, dejando 7.633 kcal / m 2 / año de energía para uso de los consumidores primarios.

Eficiencia ecológica: la transferencia de energía entre niveles tróficos

Como se ilustra en ((Figura)), a medida que la energía fluye de los productores primarios a través de los distintos niveles tróficos, el ecosistema pierde grandes cantidades de energía. La razón principal de esta pérdida es la segunda ley de la termodinámica, que establece que siempre que la energía se convierte de una forma a otra, existe una tendencia al desorden (entropía) en el sistema. En los sistemas biológicos, esta energía toma la forma de calor metabólico, que se pierde cuando los organismos consumen otros organismos. En el ejemplo del ecosistema de Silver Springs ((Figura)), vemos que los consumidores primarios produjeron 1103 kcal / m 2 / año de las 7618 kcal / m 2 / año de energía disponible para ellos de los productores primarios. La medición de la eficiencia de transferencia de energía entre dos niveles tróficos sucesivos se denomina eficiencia de transferencia de nivel trófico (TLTE) y se define mediante la fórmula:

En Silver Springs, el TLTE entre los dos primeros niveles tróficos fue de aproximadamente el 14,8 por ciento. La baja eficiencia de la transferencia de energía entre niveles tróficos suele ser el factor principal que limita la longitud de las cadenas alimentarias observadas en una red alimentaria. El hecho es que, después de cuatro a seis transferencias de energía, no queda suficiente energía para mantener otro nivel trófico. En el ejemplo del lago Ontario que se muestra en ((Figura)), solo ocurrieron tres transferencias de energía entre el productor primario (algas verdes) y el consumidor principal (salmón Chinook).

Los ecologistas tienen muchos métodos diferentes para medir las transferencias de energía dentro de los ecosistemas. La dificultad de la medición depende de la complejidad del ecosistema y de cuánto acceso tienen los científicos para observar el ecosistema. En otras palabras, algunos ecosistemas son más difíciles de estudiar que otros y, en ocasiones, es necesario estimar la cuantificación de las transferencias de energía.

Otros parámetros son importantes para caracterizar el flujo de energía dentro de un ecosistema. La eficiencia de producción neta (NPE) permite a los ecólogos cuantificar la eficiencia con la que los organismos de un nivel trófico particular incorporan la energía que reciben en la biomasa, se calcula utilizando la siguiente fórmula:

La productividad neta del consumidor es el contenido energético disponible para los organismos del siguiente nivel trófico. La asimilación es la biomasa (contenido energético generado por unidad de área) del nivel trófico actual después de tener en cuenta la energía perdida debido a la ingestión incompleta de alimentos, la energía utilizada para la respiración y la energía perdida como desperdicio. La ingestión incompleta se refiere al hecho de que algunos consumidores comen solo una parte de sus alimentos. Por ejemplo, cuando un león mata a un antílope, se comerá todo menos la piel y los huesos. Al león le falta la médula ósea rica en energía dentro del hueso, por lo que el león no utiliza todas las calorías que su presa podría proporcionar.

Por lo tanto, NPE mide la eficiencia con la que cada nivel trófico utiliza e incorpora la energía de sus alimentos en la biomasa para alimentar el siguiente nivel trófico. En general, los animales de sangre fría (ectotermos), como invertebrados, peces, anfibios y reptiles, utilizan menos energía que obtienen para la respiración y el calor que los animales de sangre caliente (endotermos), como aves y mamíferos. El calor extra generado en las endotermas, aunque es una ventaja en términos de la actividad de estos organismos en ambientes más fríos, es una gran desventaja en términos de NPE. Por lo tanto, muchos endotermos tienen que comer con más frecuencia que los ectotermos para obtener la energía que necesitan para sobrevivir. En general, la NPE para los ectotermos es un orden de magnitud (10x) mayor que para los endotermos. Por ejemplo, el NPE para una oruga que come hojas se ha medido en un 18 por ciento, mientras que el NPE para una ardilla que come bellotas puede ser tan bajo como un 1,6 por ciento.

La ineficiencia del uso de energía por los animales de sangre caliente tiene amplias implicaciones para el suministro de alimentos del mundo. Está ampliamente aceptado que la industria cárnica utiliza grandes cantidades de cultivos para alimentar al ganado y, debido a que el NPE es bajo, se pierde gran parte de la energía de la alimentación animal. Por ejemplo, cuesta alrededor de £ 0,01 producir 1000 calorías dietéticas (kcal) de maíz o soja, pero aproximadamente £ 0,19 producir un número similar de calorías en el cultivo de ganado para consumo de carne. El mismo contenido energético de la leche de ganado también es costoso, aproximadamente 0,16 libras esterlinas por 1000 kcal. Gran parte de esta diferencia se debe a la baja NPE del ganado. Por lo tanto, ha habido un movimiento creciente en todo el mundo para promover el consumo de alimentos no cárnicos y no lácteos para que se desperdicie menos energía alimentando animales para la industria cárnica.

Modelado del flujo de energía de los ecosistemas: pirámides ecológicas

La estructura de los ecosistemas se puede visualizar con pirámides ecológicas, que fueron descritas por primera vez por los estudios pioneros de Charles Elton en la década de 1920. Las pirámides ecológicas muestran las cantidades relativas de varios parámetros (como el número de organismos, la energía y la biomasa) en los niveles tróficos.

Las pirámides de números pueden ser verticales o invertidas, según el ecosistema. Como se muestra en la (Figura), los pastizales típicos durante el verano tienen una base de muchas plantas y la cantidad de organismos disminuye en cada nivel trófico. Sin embargo, durante el verano en un bosque templado, la base de la pirámide consta de pocos árboles en comparación con el número de consumidores primarios, en su mayoría insectos. Debido a que los árboles son grandes, tienen una gran capacidad fotosintética y dominan otras plantas en este ecosistema para obtener luz solar. Incluso en cantidades más pequeñas, los productores primarios de los bosques todavía son capaces de soportar otros niveles tróficos.

Otra forma de visualizar la estructura del ecosistema es con pirámides de biomasa. Esta pirámide mide la cantidad de energía convertida en tejido vivo en los diferentes niveles tróficos. Usando el ejemplo del ecosistema de Silver Springs, estos datos muestran una pirámide de biomasa vertical ((Figura)), mientras que la pirámide del ejemplo del Canal de la Mancha está invertida. Las plantas (productores primarios) del ecosistema de Silver Springs constituyen un gran porcentaje de la biomasa que se encuentra allí. Sin embargo, el fitoplancton en el ejemplo del Canal de la Mancha constituye menos biomasa que los consumidores primarios, el zooplancton. Al igual que con las pirámides de números invertidas, esta pirámide invertida no se debe a la falta de productividad de los productores primarios, sino a la alta tasa de rotación del fitoplancton. El fitoplancton es consumido rápidamente por los consumidores primarios, minimizando así su biomasa en un momento determinado. Sin embargo, el fitoplancton se reproduce rápidamente, por lo que puede mantener al resto del ecosistema.

El modelado de ecosistemas piramidales también se puede utilizar para mostrar el flujo de energía a través de los niveles tróficos. Tenga en cuenta que estos números son los mismos que los utilizados en el diagrama del compartimento de flujo de energía en ((Figura)). Las pirámides de energía siempre están en posición vertical y no se puede mantener un ecosistema sin suficiente productividad primaria. Todos los tipos de pirámides ecológicas son útiles para caracterizar la estructura del ecosistema. However, in the study of energy flow through the ecosystem, pyramids of energy are the most consistent and representative models of ecosystem structure ((Figure)).

Pyramids depicting the number of organisms or biomass may be inverted, upright, or even diamond-shaped. Las pirámides de energía, sin embargo, siempre están en posición vertical. ¿Por qué?

Consecuencias de las redes tróficas: magnificación biológica

Una de las consecuencias ambientales más importantes de la dinámica de los ecosistemas es la biomagnificación. La biomagnificación es la concentración creciente de sustancias tóxicas persistentes en los organismos en cada nivel trófico, desde los productores primarios hasta los consumidores principales. Many substances have been shown to bioaccumulate, including the pesticide DicloroDiphenyltrichloroethane (DDT), which was described in the 1960s bestseller, Silent Spring, de Rachel Carson. El DDT era un pesticida de uso común antes de que se conocieran sus peligros. En algunos ecosistemas acuáticos, los organismos de cada nivel trófico consumieron muchos organismos del nivel inferior, lo que provocó que aumentara el DDT en las aves (consumidores ápice) que comían pescado. Por lo tanto, las aves acumularon cantidades suficientes de DDT para causar fragilidad en la cáscara de sus huevos. Este efecto aumentó la rotura de los huevos durante la anidación y se demostró que tiene efectos adversos en estas poblaciones de aves. El uso de DDT fue prohibido en los Estados Unidos en la década de 1970.

Otras sustancias que se biomagnifican son los bifenilos policlorados (PCB), que se usaban en líquidos refrigerantes en Estados Unidos hasta que se prohibió su uso en 1979, y metales pesados, como mercurio, plomo y cadmio. Estas sustancias se estudiaron mejor en los ecosistemas acuáticos, donde las especies de peces en diferentes niveles tróficos acumulan sustancias tóxicas traídas a través del ecosistema por los productores primarios. As illustrated in a study performed by the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) in the Saginaw Bay of Lake Huron ((Figure)), PCB concentrations increased from the ecosystem’s primary producers (phytoplankton) through the different trophic levels of fish species. El consumidor principal (lucioperca) tiene más de cuatro veces la cantidad de PCB en comparación con el fitoplancton. Además, según los resultados de otros estudios, las aves que comen estos peces pueden tener niveles de PCB al menos un orden de magnitud más altos que los que se encuentran en los peces del lago.

Se han planteado otras preocupaciones por la acumulación de metales pesados, como mercurio y cadmio, en ciertos tipos de mariscos. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) recomienda que las mujeres embarazadas y los niños pequeños no consuman pez espada, tiburón, caballa real o blanquillo debido a su alto contenido de mercurio. Se aconseja a estas personas que consuman pescado con bajo contenido de mercurio: salmón, tilapia, camarones, abadejo y bagre. La biomagnificación es un buen ejemplo de cómo la dinámica de los ecosistemas puede afectar nuestra vida cotidiana, incluso influyendo en los alimentos que comemos.

Section Summary

Organisms in an ecosystem acquire energy in a variety of ways, which is transferred between trophic levels as the energy flows from the bottom to the top of the food web, with energy being lost at each transfer. The efficiency of these transfers is important for understanding the different behaviors and eating habits of warm-blooded versus cold-blooded animals. Modeling of ecosystem energy is best done with ecological pyramids of energy, although other ecological pyramids provide other vital information about ecosystem structure.

Preguntas de conexión visual

(Figure) Pyramids depicting the number of organisms or biomass may be inverted, upright, or even diamond-shaped. Las pirámides de energía, sin embargo, siempre están en posición vertical. ¿Por qué?

(Figure) Pyramids of organisms may be inverted or diamond-shaped because a large organism, such as a tree, can sustain many smaller organisms. Del mismo modo, una biomasa baja de organismos puede sostener una biomasa mayor en el siguiente nivel trófico porque los organismos se reproducen rápidamente y, por lo tanto, proporcionan un alimento continuo. Las pirámides de energía, sin embargo, siempre deben estar en posición vertical debido a las leyes de la termodinámica. La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se puede crear ni destruir, por lo que cada nivel trófico debe adquirir energía del nivel trófico inferior. La segunda ley de la termodinámica establece que, durante la transferencia de energía, siempre se pierde algo de energía en forma de calor, por lo que hay menos energía disponible en cada nivel trófico superior.

Preguntas de revisión

The weight of living organisms in an ecosystem at a particular point in time is called:

Which term describes the process whereby toxic substances increase along trophic levels of an ecosystem?

Organisms that can make their own food using inorganic molecules are called:

In the English Channel ecosystem, the number of primary producers is smaller than the number of primary consumers because________.

  1. the apex consumers have a low turnover rate
  2. the primary producers have a low turnover rate
  3. the primary producers have a high turnover rate
  4. the primary consumers have a high turnover rate

What law of chemistry determines how much energy can be transferred when it is converted from one form to another?

  1. the first law of thermodynamics
  2. the second law of thermodynamics
  3. the conservation of matter
  4. the conservation of energy

The mussels that live at the NW Eifuku volcano are examples of _______.

Preguntas de pensamiento crítico

Compare the three types of ecological pyramids and how well they describe ecosystem structure. Identify which ones can be inverted and give an example of an inverted pyramid for each.

Pyramids of numbers display the number of individual organisms on each trophic level. These pyramids can be either upright or inverted, depending on the number of the organisms. Pyramids of biomass display the weight of organisms at each level. Inverted pyramids of biomass can occur when the primary producer has a high turnover rate. Pyramids of energy are usually upright and are the best representation of energy flow and ecosystem structure.

How does the amount of food a warm-blooded animal (endotherm) eats relate to its net production efficiency (NPE)?

NPE measures the rate at which one trophic level can use and make biomass from what it attained in the previous level, taking into account respiration, defecation, and heat loss. Endotherms have high metabolism and generate a lot of body heat. Although this gives them advantages in their activity level in colder temperatures, these organisms are 10 times less efficient at harnessing the energy from the food they eat compared with cold-blooded animals, and thus have to eat more and more often.

A study uses an inverted pyramid to demonstrate the relationship between sharks, their aquatic prey, and phytoplankton in an ocean region. What type of pyramid must be used? What does this convey to readers about predation in the area?

An inverted ecological pyramid describing the relationship between the three groups must be a biomass pyramid. This model suggests that the area is subject to heavy predation, with the prey species feeding heavily on the phytoplankton, and in turn being consumed by the sharks.

Describe what a pyramid of numbers would like if an ecologist models the relationship between bird parasites, blue jays, and oak trees in a hectare. Does this match the energy flow pyramid?

In this ecological model, the oak trees (producers) would be at the bottom, the blue jays would be in the middle level (primary consumer of acorns), and the parasites would be at the top level (secondary consumer). However, the pyramid would be inverted since each bird could support several parasites, and each tree could support several birds. This pyramid would appear to be the opposite of the energy flow pyramid.

Glosario


Eficiencia ecológica: la transferencia de energía entre niveles tróficos

As illustrated in , large amounts of energy are lost from the ecosystem from one trophic level to the next level as energy flows from the primary producers through the various trophic levels of consumers and decomposers. La razón principal de esta pérdida es la segunda ley de la termodinámica, que establece que siempre que la energía se convierte de una forma a otra, existe una tendencia al desorden (entropía) en el sistema. En los sistemas biológicos, esto significa que se pierde una gran cantidad de energía como calor metabólico cuando los organismos de un nivel trófico consumen el siguiente nivel. In the Silver Springs ecosystem example (), we see that the primary consumers produced 1103 kcal/m 2 /yr from the 7618 kcal/m 2 /yr of energy available to them from the primary producers. La medición de la eficiencia de transferencia de energía entre dos niveles tróficos sucesivos se denomina eficiencia de transferencia de nivel trófico (TLTE) y se define mediante la fórmula:

TLTE = production at present trophic level production at previous trophic level × 100

En Silver Springs, el TLTE entre los dos primeros niveles tróficos fue de aproximadamente el 14,8 por ciento. La baja eficiencia de la transferencia de energía entre niveles tróficos suele ser el factor principal que limita la longitud de las cadenas alimentarias observadas en una red alimentaria. El hecho es que, después de cuatro a seis transferencias de energía, no queda suficiente energía para mantener otro nivel trófico. In the Lake Ontario example shown in , only three energy transfers occurred between the primary producer, (green algae), and the apex consumer (Chinook salmon).

Los ecologistas tienen muchos métodos diferentes para medir las transferencias de energía dentro de los ecosistemas. Algunas transferencias son más fáciles o más difíciles de medir según la complejidad del ecosistema y el acceso que tengan los científicos para observar el ecosistema. En otras palabras, algunos ecosistemas son más difíciles de estudiar que otros y, en ocasiones, es necesario estimar la cuantificación de las transferencias de energía.

Otro parámetro principal que es importante para caracterizar el flujo de energía dentro de un ecosistema es la eficiencia neta de producción. Net production efficiency (NPE) allows ecologists to quantify how efficiently organisms of a particular trophic level incorporate the energy they receive into biomass it is calculated using the following formula:

NPE = net consumer productivity assimilation × 100

Net consumer productivity is the energy content available to the organisms of the next trophic level. Assimilation is the biomass (energy content generated per unit area) of the present trophic level after accounting for the energy lost due to incomplete ingestion of food, energy used for respiration, and energy lost as waste. La ingestión incompleta se refiere al hecho de que algunos consumidores comen solo una parte de sus alimentos. Por ejemplo, cuando un león mata a un antílope, se comerá todo menos la piel y los huesos. Al león le falta la médula ósea rica en energía dentro del hueso, por lo que el león no utiliza todas las calorías que su presa podría proporcionar.

Por lo tanto, NPE mide la eficiencia con la que cada nivel trófico utiliza e incorpora la energía de sus alimentos en la biomasa para alimentar el siguiente nivel trófico. En general, los animales de sangre fría (ectotermos), como invertebrados, peces, anfibios y reptiles, utilizan menos energía que obtienen para la respiración y el calor que los animales de sangre caliente (endotermos), como aves y mamíferos. El calor extra generado en las endotermas, aunque es una ventaja en términos de la actividad de estos organismos en ambientes más fríos, es una gran desventaja en términos de NPE. Por lo tanto, muchos endotermos tienen que comer con más frecuencia que los ectotermos para obtener la energía que necesitan para sobrevivir. En general, la NPE para los ectotermos es un orden de magnitud (10x) mayor que para los endotermos. Por ejemplo, el NPE para una oruga que come hojas se ha medido en un 18 por ciento, mientras que el NPE para una ardilla que come bellotas puede ser tan bajo como un 1,6 por ciento.

La ineficiencia del uso de energía por los animales de sangre caliente tiene amplias implicaciones para el suministro de alimentos del mundo. Está ampliamente aceptado que la industria cárnica utiliza grandes cantidades de cultivos para alimentar al ganado y, debido a que el NPE es bajo, se pierde gran parte de la energía de la alimentación animal. For example, it costs about 1¢ to produce 1000 dietary calories (kcal) of corn or soybeans, but approximately

Conexión de arte

Ecological pyramids depict the (a) biomass, (b) number of organisms, and (c) energy in each trophic level.

Pyramids depicting the number of organisms or biomass may be inverted, upright, or even diamond-shaped. Las pirámides de energía, sin embargo, siempre están en posición vertical. ¿Por qué?

.19 producir un número similar de calorías en la cría de ganado para el consumo de carne. El mismo contenido energético de la leche de ganado también es costoso, aproximadamente

Section Summary

Organisms in an ecosystem acquire energy in a variety of ways, which is transferred between trophic levels as the energy flows from the bottom to the top of the food web, with energy being lost at each transfer. The efficiency of these transfers is important for understanding the different behaviors and eating habits of warm-blooded versus cold-blooded animals. Modeling of ecosystem energy is best done with ecological pyramids of energy, although other ecological pyramids provide other vital information about ecosystem structure.

0,16 por 1000 kcal. Gran parte de esta diferencia se debe a la baja NPE del ganado. Por lo tanto, ha habido un movimiento creciente en todo el mundo para promover el consumo de alimentos no cárnicos y no lácteos para que se desperdicie menos energía alimentando animales para la industria cárnica.


Modeling Ecosystems Energy Flow: Ecological Pyramids

The structure of ecosystems can be visualized with ecological pyramids, which were first described by the pioneering studies of Charles Elton in the 1920s. Ecological pyramids show the relative amounts of various parameters (such as number of organisms, energy, and biomass) across trophic levels.

Pyramids of numbers can be either upright or inverted, depending on the ecosystem. As shown in [link], typical grassland during the summer has a base of many plants and the numbers of organisms decrease at each trophic level. However, during the summer in a temperate forest, the base of the pyramid consists of few trees compared with the number of primary consumers, mostly insects. Because trees are large, they have great photosynthetic capability, and dominate other plants in this ecosystem to obtain sunlight. Even in smaller numbers, primary producers in forests are still capable of supporting other trophic levels.

Another way to visualize ecosystem structure is with pyramids of biomass. This pyramid measures the amount of energy converted into living tissue at the different trophic levels. Using the Silver Springs ecosystem example, this data exhibits an upright biomass pyramid ([link]), whereas the pyramid from the English Channel example is inverted. The plants (primary producers) of the Silver Springs ecosystem make up a large percentage of the biomass found there. However, the phytoplankton in the English Channel example make up less biomass than the primary consumers, the zooplankton. As with inverted pyramids of numbers, this inverted pyramid is not due to a lack of productivity from the primary producers, but results from the high turnover rate of the phytoplankton. The phytoplankton are consumed rapidly by the primary consumers, thus, minimizing their biomass at any particular point in time. However, phytoplankton reproduce quickly, thus they are able to support the rest of the ecosystem.

Pyramid ecosystem modeling can also be used to show energy flow through the trophic levels. Notice that these numbers are the same as those used in the energy flow compartment diagram in [link]. Pyramids of energy are always upright, and an ecosystem without sufficient primary productivity cannot be supported. All types of ecological pyramids are useful for characterizing ecosystem structure. However, in the study of energy flow through the ecosystem, pyramids of energy are the most consistent and representative models of ecosystem structure ([link]).


Pyramids depicting the number of organisms or biomass may be inverted, upright, or even diamond-shaped. Las pirámides de energía, sin embargo, siempre están en posición vertical. ¿Por qué?


46.2: Energy Flow through Ecosystems - Biology

An ecosystem consists of a community of living organisms interacting with each other and the environment. The source of energy that fuels most ecosystems is the Sun. Plants use the Sun's energy to produce food in a process called photosynthesis. Organisms that use energy from the Sun or energy stored in chemical compounds to produce their own nutrients are called autotrophs. They are also called producers because most other organisms depend on autotrophs for nutrients and energy. Heterotrophic organisms that cannot make their own food may obtain nutrients by eating other organisms. A heterotroph that feeds only on plants is called an herbivore. Herbivores are also called first order heterotrophs. Carnivores that feed on herbivores are called second order heterotrophs. Carnivores that feed on other carnivores are called third order heterotrophs. A food chain is a simple model of how energy and matter move through an ecosystem.

Each level of production and consumption in a food chain is a trophic level. The autotrophs form the first trophic level, first order heterotrophs (herbivores) constitute the second trophic level, second order heterotrophs the third trophic level, and third order heterotrophs are layered on top.

In the pyramid of energy, the energy moves in only one direction and decreases at each succeeding trophic level. The total energy transfer from one trophic level to the next is, in general, only about ten percent or less. This is called the energy conversion efficiency. Organisms fail to capture and eat all the food available at the trophic level below them. The food consumers ingest is used to metabolize and build body tissues. Some food is given off as waste. The energy lost at each trophic level enters the environment as heat.

A pyramid of biomass expresses the weight of living material at each trophic level. Biomass is calculated by finding the average weight of each species at that trophic level and multiplying the weight by the estimated number of organisms in each population. In terrestrial ecosystems, biomass decreases as the trophic level increases. In contrast to terrestrial ecosystems, freshwater and marine ecosystems have less primary producer biomass than biomass present at higher trophic levels, leading to an inverted biomass pyramid. This is because algae and phytoplankton have a shorter lifespan, are more edible than terrestrial plants, and are more rapidly grazed. Their biomass does not accumulate.

In this exploration, you will study and analyze five simplified model ecosystems: a deciduous forest, a hot desert, a freshwater lake, grassland, and an Antarctic ocean shore. Many more plant and animal species would be involved in a real-world ecosystem. The field notes for each model ecosystem present a profile of the plant and animal inventory for each ecosystem.

Procedimiento
1. Select the icon next to the animals' and plants' names from the Field Notes tablet and drag and drop them to the appropriate trophic level in the ecosystem pyramid.

2. Click the Check button when all the names have been placed in the ecosystem pyramid to verify the accuracy of animal and plant assignments to the appropriate trophic level. For each accurate placement, the names of the animals are replaced with pictures and the number of each kind of animal is displayed beneath it.

3. Click the Pyramid of Energy button to display numbers indicating amounts of energy.

4. Click the Pyramid of Numbers button to display numbers indicating numbers of plants and animals.

5. Analyze this data by calculating the conversion efficiency for each trophic level for each of the five ecosystems and record the results in the Data Table. The energy conversion efficiency is calculated by dividing the energy at the higher trophic level by the energy at the lower level to obtain a ratio. Enter the value as a decimal number.

6. When all the data are recorded in the Data Table and analyzed, answer the Journal Questions.


Ver el vídeo: Flujo de energía y materia a través de los ecosistemas. Biología. Khan Academy en Español (Agosto 2022).