20.7: Energía y Flujo Energético

Objetivos de aprendizaje

• 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 dinámica del ecosistema

Las interacciones tróficas en una comunidad pueden ser representadas por diagramas llamados cadenas alimentarias y redes alimentarias. Antes de discutir estas representaciones en detalle, primero debemos revisar los fundamentos de la energía. La energía fluye a través de una comunidad como resultado de interacciones tróficas.

Energía

Prácticamente todas las tareas que realizan los organismos vivos requieren energía. En general, la energía se define como la capacidad de hacer trabajo, o de crear algún tipo de cambio. La energía existe en diferentes formas. Los ejemplos incluyen la energía luminosa, la energía cinética, la energía térmica, la energía potencial y la energía química.

Cuando un objeto está en movimiento, hay energía asociada a ese objeto. Piensa en una bola de naufragio. Incluso una bola de naufragio de movimiento lento puede hacer mucho daño a otros objetos. La energía asociada con los objetos en movimiento se llama energía cinética. La energía térmica es la energía del movimiento en la materia (cualquier cosa que ocupe espacio y tenga masa) y se considera un tipo de energía cinética. Cuanto más caliente es la sustancia, más rápido se mueven sus moléculas. El rápido movimiento de las moléculas en el aire, una bala a toda velocidad y una persona que camina tienen todos energía cinética. Ahora, ¿y si esa misma bola de naufragio inmóvil se levanta dos pisos sobre el suelo con una grúa? Si la bola de naufragio suspendida no se mueve, ¿hay energía asociada a ella? La respuesta es sí. La energía que se requería para levantar la bola de naufragio no desapareció, sino que ahora se almacena en la bola de naufragio en virtud de su posición y la fuerza de gravedad que actúa sobre ella. Este tipo de energía se llama energía potencial. Si la pelota cayera, la energía potencial se transformaría en energía cinética hasta que se agotara toda la energía potencial cuando la pelota descansara en el suelo. Las bolas de naufragio también se balancean como un péndulo; a través del columpio, hay un cambio constante de energía potencial (más alta en la parte superior del columpio) a energía cinética (más alta en la parte inferior del columpio). Otros ejemplos de energía potencial incluyen la energía del agua contenida detrás de una presa o una persona a punto de lanzarse en paracaidismo fuera de un avión (Figura\(\PageIndex{1}\).

Figura\(\PageIndex{1}\): El agua sin gas tiene energía potencial; el agua en movimiento, como en una cascada o un río que fluye rápidamente, tiene energía cinética. (crédito “presa”: modificación de obra por “Pascal” /Flickr; crédito “cascada”: modificación de obra de Frank Gualtieri)

La energía potencial no sólo está asociada con la ubicación de la materia, sino también con la estructura de la materia. A nivel molecular, hay energía potencial almacenada dentro de los enlaces que mantienen unidos los átomos en las moléculas de alimentos que comemos. El tipo de energía potencial que existe dentro de los enlaces químicos, y se libera cuando esos enlaces se rompen, se llama energía química. La energía química es responsable de proporcionar a las células vivas energía de los alimentos.

Para apreciar la forma en que la energía fluye dentro y fuera de los sistemas biológicos, es importante comprender dos de las leyes físicas que rigen la energía. La primera ley de la termodinámica establece que la cantidad total de energía en el universo es constante y conservada. Es decir, siempre ha habido, y siempre habrá, exactamente la misma cantidad de energía en el universo. La energía existe en muchas formas diferentes. Según la primera ley de la termodinámica, la energía puede transferirse de un lugar a otro o transformarse en diferentes formas, pero no puede crearse ni destruirse. Las transferencias y transformaciones de la energía ocurren a nuestro alrededor todo el tiempo. Las bombillas transforman la energía eléctrica en energía lumínica y térmica. Las estufas de gas transforman la energía química del gas natural en energía térmica. Las plantas realizan una de las transformaciones energéticas más útiles biológicamente en la tierra: la de convertir la energía de la luz solar en energía química almacenada dentro de moléculas biológicas, como los azúcares (Figura\(\PageIndex{2}\).

Figura\(\PageIndex{2}\): Se muestran algunos ejemplos de energía transferida y transformada de un sistema a otro y de una forma a otra. Los alimentos que consumimos, representados por el cono de helado, proporcionan a nuestras células la energía química requerida para llevar a cabo las funciones corporales. Esto se puede convertir en energía cinética (la energía del movimiento), que sería necesaria para andar en bicicleta. Las hojas realizan la fotosíntesis, convirtiendo la energía lumínica del sol en energía química. (crédito “helado”: modificación de obra de D. Sharon Pruitt; crédito “niños”: modificación de obra por Max de Providence; crédito “hoja”: modificación de obra de Cory Zanker)

El reto para todos los organismos vivos es obtener energía de su entorno en formas que sean utilizables para realizar trabajos celulares. Las tareas primarias de una célula viva de obtener, transformar y usar energía para hacer el trabajo pueden parecer simples. No obstante, la segunda ley de la termodinámica explica por qué estas tareas son más difíciles de lo que parecen. Todas las transferencias y transformaciones de energía nunca son completamente eficientes. En cada transferencia de energía, se pierde cierta cantidad de energía en una forma que es inutilizable. En la mayoría de los casos, esta forma es energía térmica. Por ejemplo, cuando se enciende una bombilla, parte de la energía que se convierte de energía eléctrica en energía lumínica se pierde como energía térmica. De igual manera, se pierde algo de energía como energía térmica durante las reacciones metabólicas que ocurren en los organismos.

El concepto de orden y desorden se relaciona con la segunda ley de la termodinámica. Cuanta más energía pierde un sistema a su entorno, menos ordenado y más aleatorio es el sistema. Los científicos se refieren a la medida de aleatoriedad o trastorno dentro de un sistema como entropía. Alta entropía significa trastorno alto y baja energía. Los seres vivos están altamente ordenados, requiriendo un aporte de energía constante para mantenerse en un estado de baja entropía.

Flujo de Energía

Las células funcionan con la energía química que se encuentra principalmente en las moléculas de carbohidratos, y la mayoría de estas moléculas son producidas por un solo proceso: la fotosíntesis. A través de la fotosíntesis, ciertos organismos convierten la energía solar (luz solar) en energía química, que luego se utiliza para construir moléculas de carbohidratos. La energía que se aprovecha de la fotosíntesis ingresa continuamente a las comunidades y se transfiere de un organismo a otro. Por lo tanto, directa o indirectamente, el proceso de fotosíntesis proporciona la mayor parte de la energía que requieren los seres vivos en la Tierra.

Los organismos que realizan la fotosíntesis (como plantas, algas y algunas bacterias), y los organismos que sintetizan azúcares a través de otros medios se denominan productores. Sin estos organismos, la energía no estaría disponible para otros organismos vivos, y la vida no sería posible. Los consumidores, como animales, hongos y diversos microorganismos dependen de los productores, ya sea directa o indirectamente. Por ejemplo, un venado obtiene energía al comer plantas. Un lobo que se come un venado obtiene energía que originalmente provenía de las plantas que comía ese venado (Figura\(\PageIndex{3}\). Utilizando este razonamiento, todos los alimentos consumidos por los humanos se remontan a productores que realizan la fotosíntesis (Figura\(\PageIndex{4}\)). Los productores y consumidores muertos son consumidos por detritivores (que ingieren en tejidos muertos) y descomponedores (que descomponen aún más estos tejidos en moléculas simples al secretar enzimas digestivas). Los animales invertebrados, como gusanos y milpiés, son ejemplos de detritívoros, mientras que los hongos y ciertas bacterias son ejemplos de descomponedores.

Figura\(\PageIndex{3}\): La energía almacenada en las moléculas de carbohidratos de la fotosíntesis pasa a través de la cadena alimentaria. El depredador que se come a estos venados está recibiendo energía que se originó en la vegetación fotosintética que consumía el venado. (crédito: Steve VanRiper, Servicio de Pesca y Vida Silvestre de los Estados Unidos)

Figura\(\PageIndex{4}\): En última instancia, la mayoría de las formas de vida obtienen su energía del sol. Este diagrama de flujo muestra la energía del sol siendo capturada por productores, como las plantas, a través de la fotosíntesis. La energía se transfiere a los consumidores de los productores, como los animales. La energía se puede obtener de los productores directamente (los herbívoros comen plantas) o indirectamente (los carnívoros comen herbívoros). Los descomponedores eventualmente descomponen los organismos muertos, incluyendo material vegetal y animal, y contribuyen al acervo de nutrientes. Los hongos y bacterias son descomponedores, y los gusanos son detritivores (no mostrados).

Atribuciones

Modificado por Kammy Argel a partir de las siguientes fuentes:

2.2.1.1.4: Cadenas Alimentarias y Webs Alimentarias - de Biología por OpenStax (licenciado CC-BY)