12.3: Flujo de energía a través de los ecosistemas
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Captación y uso de energía
Fotosíntesis
En la base de un ecosistema, los productores primarios están convirtiendo activamente la energía solar en energía química almacenada. La fotosíntesis es el proceso de convertir la energía solar, el agua y el dióxido de carbono en carbohidratos y oxígeno. El proceso ocurre en dos etapas: primero la energía luminosa es absorbida por la clorofila para dividir una molécula de agua liberando hidrógeno y oxígeno. El segundo paso utiliza la energía para convertir el dióxido de carbono en carbohidratos.
Energía Solar
6CO 2 + 12H 2 O —> C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O
(clorofila)
El carbohidrato (C 6 H 12 O 6) puede ser convertido en almidón y almacenado por la planta. Los carbohidratos se pueden combinar con otras moléculas de azúcar para hacer celulosa, el material estructural básico de una planta.
Video: “Fotosíntesis”. (Cortesía de Britannica)
Por extraño que parezca, de toda la radiación solar que golpea una planta, solo alrededor del 1% se utiliza en la fotosíntesis. La tasa de fotosíntesis depende de varias cosas, sobre todo de la cantidad de luz recibida... hasta cierto punto. A medida que aumenta la radiación solar aumenta la tasa de fotosíntesis. Para muchas plantas hay un límite superior a la tasa de fotosíntesis. En algunas plantas a medida que la radiación solar incidente aumenta la tasa de niveles de fotosíntesis, o puede disminuir. El aumento de la carga de energía solar hace que la planta esté demasiado caliente y aumente la necesidad de enfriarla. Como resultado, la transpiración toma el relevo como proceso predominante de la planta. La transpiración, la pérdida de agua de las plantas, actúa para enfriar la planta liberando energía latente. Los suministros adecuados de agua, dióxido de carbono y la disponibilidad de nutrientes en el suelo afectan la fotosíntesis.
Respiración
Mientras que la fotosíntesis construye la energía química almacenada en una planta, la respiración es el proceso de “quemar” la energía química almacenada, básicamente a través de la oxidación, para mantener el metabolismo de la planta. Durante la respiración de las plantas, los carbohidratos se combinan con el oxígeno y se reducen a dióxido de carbono, agua y calor.
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 —> 6CO 2 + 6H 2 O + 2830 kj
Si bien la fotosíntesis opera solo durante el día cuando hay sol disponible, la respiración continúa tanto de noche como de día. El crecimiento de las plantas ocurre siempre y cuando la fotosíntesis supere la respiración.
Transpiración
La transpiración es la pérdida de agua de las hojas de las plantas. El agua sale de la hoja a través de los estomas, que son pequeños espacios porosos en la hoja. La tasa de transpiración depende de la temperatura del aire y de la radiación solar. Como se señaló anteriormente, la transpiración es un proceso de arrulamiento para las plantas cuando las temperaturas o la luz incidente se elevan demasiado y provocan el calentamiento de la planta. La baja humedad, a menudo ayudada por condiciones de viento, crea un gradiente de vapor entre la planta y el aire. Esto también induce la transpiración. Los factores del suelo son un control importante sobre la transpiración. Si el espacio de poro entre las partículas del suelo es demasiado grande el suelo tendrá un capilar pobre o bajo del suelo. Es decir, la tasa de aumento de agua es demasiado baja para que las plantas puedan extraer agua del suelo y mantener el suministro adecuado de humedad. Los capilares bajos del suelo también resultan del secado del suelo. Durante la estación húmeda, se dispone de abundante agua del suelo para recubrir las partículas del suelo para ayudar al movimiento del agua del suelo hacia arriba a la zona de la raíz.
Sin embargo, durante la estación seca, se desarrolla una capa seca de suelo debajo de la zona radicular inhibiendo el movimiento ascendente del agua capilar provocando un retraso capilar. La planta finalmente se marchita ya que no puede extraer suficiente agua para satisfacer la creciente demanda de agua durante las estaciones cálidas. Una pequeña reserva de humedad del suelo también inhibirá la transpiración.
Productividad Biomasa
La productividad neta de biomasa es la diferencia entre la productividad bruta (producción de material vegetal por fotosíntesis) y la respiración. Siempre y cuando la tasa de producción supere a la de la respiración, la planta crecerá. La productividad neta representa la cantidad de material orgánico producido por una planta. La productividad neta está estrechamente relacionada con una serie de factores ambientales como el clima, los suelos y los nutrientes disponibles. La producción neta de biomasa será mayor donde haya un amplio suministro de humedad para satisfacer las necesidades de las plantas. La productividad de la biomasa también es alta donde los suelos son ricos en nutrientes y tienen un balance positivo de humedad del suelo. La siguiente figura ilustra bien esto. Con amplias lluvias y luz solar, la selva tropical es la más alta en términos de producción de materia orgánica.
La presión humana sobre los recursos terrestres y vegetales para obtener alimentos, combustibles a base de madera, fibra y materiales de construcción está poniendo en duda si la producción neta de la tierra puede sostener dicho uso. Los científicos están empleando tecnología satelital para determinar las tendencias en el consumo humano de la producción primaria neta como se describe en el siguiente video. El uso humano de la producción anual de la tierra aumentó de 20 a 25 por ciento de 1995 a 2005. A medida que la sociedad mira hacia la conversión de la tierra para obtener biocombustibles, los cambios climáticos y la pérdida de biodiversidad, se puede llegar a un punto de inflexión en el que la producción neta no satisface la demanda en un futuro no tan lejano.
Video: Consumo Humano de PNP. (Cortesía NASA GSFC)
Niveles tróficos y cadenas alimentarias
Los elementos bióticos que componen un ecosistema caen en uno de varios niveles tróficos. El nivel trófico de un organismo es su posición en una cadena alimentaria, la secuencia de consumo y transferencia de energía a través del ambiente. Por ejemplo, una cadena alimentaria simple de pastoreo está compuesta por
Planta -> herbívoro -> carnívoro
En la base de la cadena alimentaria se encuentran los productores primarios. Los productores primarios son principalmente plantas verdes y ciertas bacterias. Convierten la energía solar en energía orgánica. Por encima de los productores primarios están los consumidores que ingieren plantas vivas o presa de otras. Los descomponedores, como bacterias, mohos y hongos hacen uso de la energía almacenada en tejidos vegetales y animales ya muertos. Los hongos, al igual que los hongos, absorben los nutrientes de los organismos al secretar enzimas para descomponer los compuestos químicos que componen las plantas y animales muertos.
Dos leyes de la física son importantes en el estudio del flujo de energía a través de los ecosistemas. La primera ley de la termodinámica establece que la energía no puede crearse ni destruirse; sólo se puede cambiar de una forma a otra. La energía para el funcionamiento de un ecosistema proviene del Sol. La energía solar es absorbida por las plantas donde en ella se convierte en energía química almacenada.
La segunda ley de la termodinámica establece que cada vez que se transforma la energía, hay una pérdida de energía a través de la liberación de calor. Esto ocurre cuando la energía se transfiere entre niveles tróficos como se ilustra en una red alimenticia. Cuando un animal se alimenta de otro, hay una pérdida de calor (energía) en el proceso. Se produce una pérdida adicional de energía durante la respiración y el movimiento. De ahí que cada vez se pierda más energía a medida que uno se mueve hacia arriba por niveles tróficos. Este hecho da más crédito a las ventajas de una dieta vegetariana. Por ejemplo, 1350 kilogramos de maíz y soja son capaces de soportar a una persona si se convierte en carne de res. No obstante, ¡1350 kilogramos de soja y maíz utilizados directamente sin convertirlos a carne de res apoyarán a 22 personas!