24.2: Biogeografía
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Muchas fuerzas influyen en las comunidades de organismos vivos presentes en diferentes partes de la biosfera (todas las partes de la Tierra habitadas por la vida). La biosfera se extiende a la atmósfera (varios kilómetros sobre la Tierra) y a las profundidades de los océanos. A pesar de su aparente inmensidad hacia un individuo humano, la biosfera ocupa sólo un minuto de espacio en comparación con el universo conocido. Muchas fuerzas abióticas influyen donde puede existir la vida y los tipos de organismos que se encuentran en diferentes partes de la biosfera. Los factores abióticos influyen en la distribución de biomas: grandes áreas de tierra con clima, flora y fauna similares.
Biogeografía
La biogeografía es el estudio de la distribución geográfica de los seres vivos y los factores abióticos que afectan su distribución. Los factores abióticos como la temperatura y la precipitación varían en función principalmente de la latitud y la elevación. A medida que estos factores abióticos cambian, la composición de las comunidades vegetales y animales también cambia. Por ejemplo, si iniciaras un viaje en el ecuador y caminaras hacia el norte, notarías cambios graduales en las comunidades vegetales. Al inicio de su viaje, vería bosques húmedos tropicales con árboles de hoja perenne de hoja ancha, que son característicos de las comunidades de plantas que se encuentran cerca del ecuador. A medida que continuabas viajando hacia el norte, verías estas plantas de hoja perenne de hoja ancha eventualmente dan lugar a bosques estacionalmente secos con árboles dispersos. También empezarías a notar cambios de temperatura y humedad. A unos 30 grados al norte, estos bosques darían paso a desiertos, los cuales se caracterizan por una baja precipitación.
Avanzando más al norte, verías que los desiertos son reemplazados por pastizales o praderas. Finalmente, los pastizales son reemplazados por bosques templados caducifolios. Estos bosques caducifolios dan paso a los bosques boreales que se encuentran en el subártico, la zona al sur del Círculo Polar Ártico. Por último, llegarías a la tundra ártica, que se encuentra en las latitudes más septentrionales. Esta caminata hacia el norte revela cambios graduales tanto en el clima como en los tipos de organismos que se han adaptado a factores ambientales asociados a ecosistemas encontrados en diferentes latitudes. Sin embargo, existen diferentes ecosistemas a la misma latitud debido en parte a factores abióticos como las corrientes en chorro, la corriente del Golfo y las corrientes oceánicas. Si fueras a subir una montaña, los cambios que verías en la vegetación serían paralelos a aquellos a medida que te mueves a latitudes más altas.
Los ecologistas que estudian biogeografía examinan los patrones de distribución de especies. No existe ninguna especie en todas partes; por ejemplo, el atrapamoscas Venus es endémico de una pequeña área en Carolina del Norte y del Sur. Una especie endémica es aquella que se encuentra naturalmente solo en un área geográfica específica que generalmente está restringida en tamaño. Otras especies son generalistas: especies que viven en una amplia variedad de áreas geográficas; el mapache, por ejemplo, es originario de la mayor parte de América del Norte y Central.
Los patrones de distribución de especies se basan en factores bióticos y abióticos y sus influencias durante los muy largos períodos de tiempo requeridos para la evolución de las especies; por lo tanto, los primeros estudios de biogeografía estuvieron estrechamente vinculados con el surgimiento del pensamiento evolutivo en el siglo XVIII. Algunos de los conjuntos más distintivos de plantas y animales ocurren en regiones que han estado físicamente separadas durante millones de años por barreras geográficas. Los biólogos estiman que Australia, por ejemplo, tiene entre 600,000 y 700,000 especies de plantas y animales. Aproximadamente 3/4 de las especies vivas de plantas y mamíferos son especies endémicas que se encuentran únicamente en Australia (Figura\(\PageIndex{1}\)).
En ocasiones, los ecologistas descubren patrones únicos de distribución de especies al determinar dónde no se encuentran las especies. Hawai, por ejemplo, no tiene especies terrestres nativas de reptiles o anfibios y solo tiene un mamífero terrestre nativo, el murciélago canoso. La mayor parte de Nueva Guinea, como otro ejemplo, carece de mamíferos placentarios.
Las plantas pueden ser endémicas o generalistas: las plantas endémicas se encuentran solo en regiones específicas de la Tierra, mientras que los generalistas se encuentran en muchas regiones. Las masas terrestres aisladas, como Australia, Hawái y Madagascar, suelen tener un gran número de especies de plantas endémicas. Algunas de estas plantas están en peligro debido a la actividad humana. La gardenia forestal (Gardenia brighamii), por ejemplo, es endémica de Hawái; se estima que solo existen entre 15 y 20 árboles (Figura\(\PageIndex{2}\)).
Fuentes de Energía
La energía del sol es capturada por plantas verdes, algas, cianobacterias y protistas fotosintéticos. Estos organismos convierten la energía solar en la energía química que necesitan todos los seres vivos. La disponibilidad de luz puede ser una fuerza importante que afecta directamente la evolución de las adaptaciones en los fotosintetizadores. Por ejemplo, las plantas en el sotobosque de un bosque templado están sombreadas cuando los árboles que están encima de ellas en el dosel salen completamente a fines de la primavera. No es sorprendente que las plantas del sotobosque tengan adaptaciones para capturar con éxito la luz disponible. Una de esas adaptaciones es el rápido crecimiento de plantas efímeras primaverales como la belleza primaveral (Figura\(\PageIndex{3}\)). Estas flores primaverales logran gran parte de su crecimiento y terminan su ciclo de vida (se reproducen) temprano en la temporada antes de que los árboles en el dosel desarrollen hojas.
En los ecosistemas acuáticos, la disponibilidad de luz puede ser limitada debido a que la luz solar es absorbida por el agua, las plantas, las partículas suspendidas y los microorganismos residentes. Hacia el fondo de un lago, estanque u océano, hay una zona a la que la luz no puede alcanzar. Allí no puede realizarse la fotosíntesis y, como resultado, han evolucionado una serie de adaptaciones que permiten que los seres vivos sobrevivan sin luz. Por ejemplo, las plantas acuáticas tienen tejido fotosintético cerca de la superficie del agua; por ejemplo, piense en las hojas anchas y flotantes de un lirio de agua: los nenúfares no pueden sobrevivir sin luz. En ambientes como los respiraderos hidrotermales, algunas bacterias extraen energía de los químicos inorgánicos porque no hay luz para la fotosíntesis.
La disponibilidad de nutrientes en los sistemas acuáticos es también un aspecto importante de la energía o la fotosíntesis. Muchos organismos se hunden en el fondo del océano cuando mueren en aguas abiertas; cuando esto ocurre, la energía que se encuentra en ese organismo vivo es secuestrada por algún tiempo a menos que ocurra la surgencia del océano. La surgencia del océano es el levantamiento de aguas profundas del océano que ocurre cuando los vientos predominantes soplan a lo largo de las aguas superficiales cercanas a una costa (Figura\(\PageIndex{4}\)) A medida que el viento empuja las aguas oceánicas en alta mar, el agua del fondo del océano se mueve hacia arriba para reemplazar esta agua. Como resultado, los nutrientes una vez contenidos en los organismos muertos se vuelven disponibles para su reutilización por otros organismos vivos.
En los sistemas de agua dulce, el reciclaje de nutrientes ocurre en respuesta a los cambios de temperatura del aire. Los nutrientes en el fondo de los lagos se reciclan dos veces al año: en la rotación de primavera y otoño. La rotación de primavera y otoño es un proceso estacional que recicla nutrientes y oxígeno desde el fondo de un ecosistema de agua dulce hasta la parte superior de un cuerpo de agua (Figura\(\PageIndex{5}\)). Estas pérdidas de balón son causadas por la formación de una termoclina: una capa de agua con una temperatura que es significativamente diferente a la de las capas circundantes. En invierno, la superficie de los lagos que se encuentran en muchas regiones del norte se congela. Sin embargo, el agua bajo el hielo es ligeramente más cálida, y el agua en el fondo del lago es más cálida pero a 4 °C a 5 °C (39.2 °F a 41 °F). El agua es más densa a 4 °C; por lo tanto, el agua más profunda también es la más densa. El agua más profunda es pobre en oxígeno porque la descomposición de material orgánico en el fondo del lago consume oxígeno disponible que no puede ser reemplazado por la difusión de oxígeno en el agua debido a la capa de hielo superficial.
En primavera, las temperaturas del aire aumentan y el hielo superficial se derrite. Cuando la temperatura del agua superficial comienza a alcanzar los 4 °C, el agua se vuelve más pesada y se hunde hasta el fondo. El agua en el fondo del lago es desplazada entonces por las aguas superficiales más pesadas y, así, se eleva hasta la cima. A medida que esa agua sube a la cima, se llevan consigo los sedimentos y nutrientes del fondo del lago. Durante los meses de verano, el agua del lago se estratifica, o forma capas, con el agua más cálida en la superficie del lago.
A medida que las temperaturas del aire bajan en la caída, la temperatura del agua del lago se enfría a 4 °C; por lo tanto, esto provoca una rotación de caída ya que el agua fría pesada se hunde y desplaza el agua en el fondo. El agua rica en oxígeno en la superficie del lago se mueve luego al fondo del lago, mientras que los nutrientes en el fondo del lago suben a la superficie (Figura\(\PageIndex{5}\)). Durante el invierno, el oxígeno en el fondo del lago es utilizado por los descomponedores y otros organismos que requieren oxígeno, como los peces.
Temperatura
La temperatura afecta la fisiología de los seres vivos así como la densidad y el estado del agua. La temperatura ejerce una influencia importante en los seres vivos porque pocos seres vivos pueden sobrevivir a temperaturas inferiores a 0 °C (32 °F) debido a restricciones metabólicas. También es raro que los seres vivos sobrevivan a temperaturas superiores a 45 °C (113 °F); esto es un reflejo de la respuesta evolutiva a temperaturas típicas. Las enzimas son más eficientes dentro de un rango estrecho y específico de temperaturas; la degradación enzimática puede ocurrir a temperaturas más altas. Por lo tanto, los organismos o bien deben mantener una temperatura interna o deben habitar un ambiente que mantenga al cuerpo dentro de un rango de temperatura que apoye el metabolismo. Algunos animales se han adaptado para permitir que sus cuerpos sobrevivan fluctuaciones significativas de temperatura, como las que se ven en la hibernación o el letargo reptil. De igual manera, algunas bacterias están adaptadas para sobrevivir en temperaturas extremadamente calurosas como los géiseres. Tales bacterias son ejemplos de extremófilos: organismos que prosperan en ambientes extremos.
La temperatura puede limitar la distribución de los seres vivos. Los animales que se enfrentan a fluctuaciones de temperatura pueden responder con adaptaciones, como la migración, para sobrevivir. La migración, el movimiento de un lugar a otro, es una adaptación que se encuentra en muchos animales, entre ellos muchos que habitan climas estacionalmente fríos. La migración resuelve problemas relacionados con la temperatura, la localización de los alimentos y la búsqueda de pareja. En migración, por ejemplo, el charrán ártico (Sterna paradisaea) realiza un vuelo de ida y vuelta de 40,000 km (24,000 millas) cada año entre sus zonas de alimentación en el hemisferio sur y sus criaderos en el Océano Ártico. Las mariposas monarca (Danaus plexippus) viven en el este de Estados Unidos en los meses más cálidos y migran a México y al sur de Estados Unidos en invierno. Algunas especies de mamíferos también realizan incursiones migratorias. Los renos (Rangifer tarandus) recorren unos 5,000 km (3,100 mi) cada año para encontrar comida. Los anfibios y reptiles son más limitados en su distribución porque carecen de capacidad migratoria. No todos los animales que pueden migrar lo hacen: la migración conlleva riesgos y tiene un alto costo energético.
Algunos animales hibernan o estivan para sobrevivir a temperaturas hostiles. La hibernación permite a los animales sobrevivir a condiciones frías, y la estivación permite que los animales sobrevivan a las condiciones hostiles de un clima cálido y seco. Los animales que hibernan o estivan entran en un estado conocido como letargo: condición en la que su tasa metabólica disminuye significativamente. Esto permite que el animal espere hasta que su entorno apoye mejor su supervivencia. Algunos anfibios, como la rana maderera (Rana sylvatica), tienen en sus células un químico similar al anticongelante, que conserva la integridad de las células y evita que estalle.
Agua
El agua es requerida por todos los seres vivos porque es crítica para los procesos celulares. Dado que los organismos terrestres pierden agua al medio ambiente por simple difusión, han evolucionado muchas adaptaciones para retener el agua.
- Las plantas tienen una serie de características interesantes en sus hojas, como pelos de las hojas y una cutícula cerosa, que sirven para disminuir la tasa de pérdida de agua a través de la transpiración.
- Los organismos de agua dulce están rodeados de agua y están constantemente en peligro de que el agua se precipite hacia sus células debido a la ósmosis. Muchas adaptaciones de organismos que viven en ambientes de agua dulce han evolucionado para asegurar que las concentraciones de solutos en sus cuerpos permanezcan dentro de los niveles apropiados. Una de esas adaptaciones es la excreción de orina diluida.
- Los organismos marinos están rodeados de agua con una mayor concentración de solutos que el organismo y, por lo tanto, están en peligro de perder agua para el medio ambiente debido a la ósmosis. Estos organismos tienen adaptaciones morfológicas y fisiológicas para retener el agua y liberar solutos al ambiente. Por ejemplo, las iguanas marinas (Amblyrhynchus cristatus), estornudan vapor de agua que es alto en sal para mantener las concentraciones de soluto dentro de un rango aceptable mientras nadan en el océano y comen plantas marinas.
Nutrientes inorgánicos y suelo
Los nutrientes inorgánicos, como el nitrógeno y el fósforo, son importantes en la distribución y abundancia de los seres vivos. Las plantas obtienen estos nutrientes inorgánicos del suelo cuando el agua se mueve hacia la planta a través de las raíces. Por lo tanto, la estructura del suelo (tamaño de partícula de los componentes del suelo), el pH y el contenido de nutrientes del suelo juegan un papel importante en la distribución de las plantas. Los animales obtienen nutrientes inorgánicos de los alimentos que consumen. Por lo tanto, las distribuciones animales están relacionadas con la distribución de lo que comen. En algunos casos, los animales seguirán su recurso alimentario a medida que se mueve por el medio ambiente.
Otros Factores Acuáticos
Algunos factores abióticos, como el oxígeno, son importantes tanto en los ecosistemas acuáticos como en los ambientes terrestres. Los animales terrestres obtienen oxígeno del aire que respiran. La disponibilidad de oxígeno puede ser un problema para los organismos que viven a elevaciones muy altas, sin embargo, donde hay menos moléculas de oxígeno en el aire. En los sistemas acuáticos, la concentración de oxígeno disuelto está relacionada con la temperatura del agua y la velocidad a la que se mueve el agua. El agua fría tiene más oxígeno disuelto que el agua más caliente. Además, la salinidad, la corriente y la marea pueden ser factores abióticos importantes en los ecosistemas acuáticos.
Otros Factores Terrestres
El viento puede ser un factor abiótico importante porque influye en la velocidad de evaporación y transpiración. La fuerza física del viento también es importante porque puede mover el suelo, el agua u otros factores abióticos, así como los organismos de un ecosistema.
El fuego es otro factor terrestre que puede ser un importante agente de perturbación en los ecosistemas terrestres. Algunos organismos están adaptados al fuego y, por lo tanto, requieren del alto calor asociado al fuego para completar una parte de su ciclo de vida. Por ejemplo, el pino gato, un árbol conífero, requiere calor del fuego para que sus conos de semillas se abran (Figura\(\PageIndex{6}\)). A través de la quema de agujas de pino, el fuego agrega nitrógeno al suelo y limita la competencia al destruir la maleza.
Factores abióticos que influyen en el crecimiento de las plantas
La temperatura y la humedad son importantes influencias en la producción vegetal (productividad primaria) y la cantidad de materia orgánica disponible como alimento (productividad primaria neta). La productividad primaria neta es una estimación de toda la materia orgánica disponible como alimento; se calcula como la cantidad total de carbono fijada por año menos la cantidad que se oxida durante la respiración celular. En ambientes terrestres, se estima la productividad primaria neta midiendo la biomasa aérea por unidad de superficie, que es la masa total de plantas vivas, excluyendo raíces. Esto significa que en esta medición no se incluye un gran porcentaje de biomasa vegetal que existe bajo tierra. La productividad primaria neta es una variable importante al considerar las diferencias en los biomas. Los biomas muy productivos tienen un alto nivel de biomasa aérea.
La producción anual de biomasa está directamente relacionada con los componentes abióticos del medio ambiente. Los ambientes con mayor cantidad de biomasa tienen condiciones en las que se optimiza la fotosíntesis, el crecimiento de las plantas y la productividad primaria neta resultante. El clima de estas zonas es cálido y húmedo. La fotosíntesis puede proceder a una tasa alta, las enzimas pueden funcionar de manera más eficiente y los estomas pueden permanecer abiertos sin riesgo de transpiración excesiva; en conjunto, estos factores conducen a que la cantidad máxima de dióxido de carbono (CO 2) se mueva hacia la planta, lo que resulta en una alta producción de biomasa. La biomasa aérea produce varios recursos importantes para otros seres vivos, incluyendo hábitat y alimentos. Por el contrario, los ambientes secos y fríos tienen menores tasas fotosintéticas y por lo tanto menos biomasa. Las comunidades animales que allí habitan también se verán afectadas por la disminución de los alimentos disponibles.
Resumen
La biogeografía es el estudio de la distribución geográfica de los seres vivos y los factores abióticos que afectan su distribución. Las especies endémicas son especies que se encuentran naturalmente solo en un área geográfica específica. La distribución de los seres vivos está influenciada por varios factores ambientales que están, en parte, controlados por la latitud o elevación a la que se encuentra un organismo. Las surgencias oceánicas y las pérdidas de balón de primavera y otoño son procesos importantes que regulan la distribución de nutrientes y otros factores abióticos importantes en los ecosistemas acuáticos. Las fuentes de energía, la temperatura, el agua, los nutrientes inorgánicos y el suelo son factores que limitan la distribución de los seres vivos en los sistemas terrestres. La productividad primaria neta es una medida de la cantidad de biomasa producida por un bioma.
Referencias
OpenStax, Biología. OpenStax CNX. 25 de junio de 2020. https://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10.137:noBcfThl@7/Understanding-Evolution.