Flujo de energía

El flujo de energía es el flujo de energía a través de los seres vivos dentro de un ecosistema. Todos los organismos vivos se pueden organizar en productores y consumidores, y esos productores y consumidores se pueden organizar en una cadena alimentaria. Cada uno de los niveles dentro de la cadena alimentaria es un nivel trófico. Para mostrar de manera más eficiente la cantidad de organismos en cada nivel trófico, estas cadenas alimentarias se organizan en pirámides tróficas. Las flechas en la cadena alimenticia muestran que el flujo de energía es unidireccional, con la punta de una flecha indicando la dirección del flujo de energía; la energía se pierde en forma de calor en cada paso del camino.

El flujo unidireccional de energía y la pérdida sucesiva de energía a medida que viaja por la red alimentaria son patrones en el flujo de energía que se rigen por la termodinámica, que es la teoría del intercambio de energía entre sistemas. La dinámica trófica se relaciona con la termodinámica porque se ocupa de la transferencia y transformación de energía (que se origina externamente desde el sol a través de la radiación solar) hacia y entre los organismos.

Una pirámide alimenticia y una red alimenticia de Thompsma, que muestra algunos de los patrones más simples en una red alimenticia.

La energía y el ciclo del carbono

El primer paso en la energía es la fotosíntesis, en la que el agua y el dióxido de carbono del aire se toman con la energía del sol y se convierten en oxígeno y glucosa. La respiración celular es la reacción inversa, en la que se absorben oxígeno y azúcar y se libera energía a medida que se convierten de nuevo en dióxido de carbono y agua. El dióxido de carbono y el agua producidos por la respiración pueden reciclarse nuevamente en las plantas.

La pérdida de energía se puede medir por la eficiencia (cuánta energía llega al siguiente nivel) o por la biomasa (cuánta materia viva existe en esos niveles en un momento dado, medida por la cosecha en pie). De toda la productividad primaria neta en el nivel trófico del productor, en general solo el 10% pasa al siguiente nivel, los consumidores primarios, luego solo el 10% de ese 10% pasa al siguiente nivel trófico, y así sucesivamente en la pirámide alimenticia.. La eficiencia ecológica puede oscilar entre el 5 % y el 20 %, dependiendo de cuán eficiente o ineficiente sea ese ecosistema. Esta disminución en la eficiencia ocurre porque los organismos necesitan realizar la respiración celular para sobrevivir, y la energía se pierde en forma de calor cuando se realiza la respiración celular. Por eso también hay menos consumidores terciarios que productores.

Producción primaria

Un productor es cualquier organismo que realiza la fotosíntesis. Los productores son importantes porque convierten la energía del sol en una forma química de energía almacenable y utilizable, glucosa y oxígeno. Los propios productores pueden utilizar la energía almacenada en la glucosa y el oxígeno para realizar la respiración celular. O, si el productor es consumido por herbívoros en el siguiente nivel trófico, parte de la energía pasa a la pirámide. La glucosa almacenada dentro de los productores sirve como alimento para los consumidores, por lo que solo a través de los productores los consumidores pueden acceder a la energía solar. Algunos ejemplos de productores primarios son algas, musgos y otras plantas como hierbas, árboles y arbustos.

Las bacterias quimiosintéticas realizan un proceso similar a la fotosíntesis, pero en lugar de la energía del sol, utilizan la energía almacenada en sustancias químicas como el sulfuro de hidrógeno y el oxígeno. Este proceso, denominado quimiosíntesis, generalmente ocurre en las profundidades del océano en fuentes hidrotermales que producen calor y sustancias químicas como hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y metano. Las bacterias quimiosintéticas pueden utilizar la energía de los enlaces del sulfuro de hidrógeno y el oxígeno para convertir el dióxido de carbono en glucosa, liberando agua y azufre en el proceso. Los organismos que consumen las bacterias quimiosintéticas pueden absorber la glucosa y usar oxígeno para realizar la respiración celular, de manera similar a los herbívoros que consumen productores.

Uno de los factores que controla la producción primaria es la cantidad de energía que ingresa al (los) productor(es), la cual se puede medir a través de la productividad. Solo el uno por ciento de la energía solar ingresa al productor, el resto rebota o se mueve. La productividad primaria bruta es la cantidad de energía que realmente obtiene el productor. Generalmente, el 60% de la energía que ingresa al productor va a la propia respiración del productor. La productividad primaria neta es la cantidad que retiene la planta después de restar la cantidad que utilizó para la respiración celular. Otro factor que controla la producción primaria son los niveles de nutrientes orgánicos/inorgánicos en el agua o el suelo en el que vive el productor.

Producción secundaria

La producción secundaria es el uso de la energía almacenada en plantas convertida por los consumidores en su propia biomasa. Los diferentes ecosistemas tienen diferentes niveles de consumidores, todos terminan con un consumidor superior. La mayor parte de la energía se almacena en plantas y oxígeno, y cuando los consumidores comen estas plantas, consumen una pequeña cantidad de energía. Esta energía en los herbívoros y omnívoros luego es consumida por los carnívoros. También hay una gran cantidad de energía que se encuentra en la producción primaria y termina siendo desperdicio o basura, lo que se conoce como detritus. La cadena alimentaria detrítica incluye una gran cantidad de microbios, macroinvertebrados, meiofauna, hongos y bacterias. Estos organismos son consumidos por omnívoros y carnívoros y representan una gran cantidad de producción secundaria. Los consumidores secundarios pueden variar ampliamente en cuanto a su eficiencia en el consumo.La eficiencia de la energía que se transmite a los consumidores se estima en alrededor del 10%. El flujo de energía a través de los consumidores difiere en ambientes acuáticos y terrestres.

Producción secundaria en medios acuáticos

Los heterótrofos contribuyen a la producción secundaria y depende de la productividad primaria y los productos primarios netos. La producción secundaria es la energía que usan los herbívoros y los descomponedores y, por lo tanto, depende de la productividad primaria. Principalmente los herbívoros y los descomponedores consumen todo el carbono de dos fuentes orgánicas principales en los ecosistemas acuáticos, autóctonos y alóctonos. El carbono autóctono proviene del interior del ecosistema e incluye plantas acuáticas, algas y fitoplancton. El carbono alóctono del exterior del ecosistema es principalmente materia orgánica muerta del ecosistema terrestre que ingresa al agua. En los ecosistemas fluviales, aproximadamente el 66 % de la entrada anual de energía se puede lavar río abajo. La cantidad restante se consume y se pierde en forma de calor.

Producción secundaria en ambientes terrestres

La producción secundaria a menudo se describe en términos de niveles tróficos y, si bien esto puede ser útil para explicar las relaciones, enfatiza demasiado las interacciones más raras. Los consumidores a menudo se alimentan en múltiples niveles tróficos. La energía transferida por encima del tercer nivel trófico es relativamente poco importante. La eficiencia de asimilación se puede expresar por la cantidad de alimentos que el consumidor ha comido, cuánto asimila el consumidor y qué se expulsa como heces u orina. Mientras que una parte de la energía se utiliza para la respiración, otra parte de la energía se destina a la biomasa en el consumidor.Hay dos cadenas alimentarias principales: la cadena alimentaria primaria es la energía que proviene de los autótrofos y se transmite a los consumidores; y la segunda cadena alimenticia importante es cuando los carnívoros se comen a los herbívoros o descomponedores que consumen la energía autótrofa. Los consumidores se dividen en consumidores primarios, consumidores secundarios y consumidores terciarios. Los carnívoros tienen una asimilación de energía mucho mayor, alrededor del 80% y los herbívoros tienen una eficiencia mucho menor de aproximadamente 20 a 50%. La energía en un sistema puede verse afectada por la emigración/inmigración de animales. Los movimientos de los organismos son significativos en los ecosistemas terrestres. El consumo energético de los herbívoros en los ecosistemas terrestres tiene un rango bajo de ~3-7%.El flujo de energía es similar en muchos ambientes terrestres. La fluctuación en la cantidad de producto primario neto consumido por los herbívoros es generalmente baja. Esto está en gran contraste con los ambientes acuáticos de lagos y estanques donde los herbívoros tienen un consumo mucho mayor de alrededor de ~33%. Los ectotermos y los endotermos tienen eficiencias de asimilación muy diferentes.

Detritívoros

Los detritívoros consumen materia orgánica que se está descomponiendo y, a su vez, son consumidos por los carnívoros. La productividad de los depredadores está correlacionada con la productividad de las presas. Esto confirma que la productividad primaria en los ecosistemas afecta a toda la productividad siguiente.

Los detritos son una gran parte del material orgánico en los ecosistemas. La materia orgánica en los bosques templados se compone principalmente de plantas muertas, aproximadamente el 62%.

En un ecosistema acuático, la materia foliar que cae en los arroyos se moja y comienza a filtrar materia orgánica. Esto sucede bastante rápido y atraerá microbios e invertebrados. Las hojas se pueden descomponer en piezas grandes llamadas materia orgánica de partículas gruesas (CPOM). El CPOM es rápidamente colonizado por microbios. La meiofauna es extremadamente importante para la producción secundaria en los ecosistemas fluviales. Los microbios que descomponen y colonizan esta materia foliar son muy importantes para los detritóvoros. Los detritóvoros hacen que la materia de la hoja sea más comestible al liberar compuestos de los tejidos; en última instancia, ayuda a suavizarlos.A medida que las hojas se pudren, el nitrógeno disminuirá ya que la celulosa y la lignina en las hojas son difíciles de descomponer. Así, los microbios colonizadores traen nitrógeno para ayudar en la descomposición. La descomposición de las hojas puede depender del contenido inicial de nitrógeno, la estación y las especies de árboles. Las especies de árboles pueden tener variación cuando caen sus hojas. Así, la descomposición de las hojas se produce en diferentes momentos, lo que se denomina mosaico de poblaciones microbianas.

El efecto de las especies y la diversidad en un ecosistema se pueden analizar a través de su desempeño y eficiencia. Además, la producción secundaria en los arroyos puede verse fuertemente influenciada por los detritos que caen en los arroyos; la producción de biomasa y abundancia de fauna bentónica disminuyó un 47-50 % adicional durante un estudio de eliminación y exclusión de hojarasca.

Flujo de energía a través de los ecosistemas

La investigación ha demostrado que los productores primarios fijan carbono a tasas similares en todos los ecosistemas. Una vez que el carbono se ha introducido en un sistema como fuente viable de energía, los mecanismos que gobiernan el flujo de energía hacia los niveles tróficos superiores varían según los ecosistemas. Entre los ecosistemas acuáticos y terrestres, se han identificado patrones que pueden explicar esta variación y se han dividido en dos vías principales de control: de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba. Los mecanismos que actúan dentro de cada vía regulan, en última instancia, la estructura del nivel trófico y de la comunidad dentro de un ecosistema en diversos grados. Los controles de abajo hacia arriba implican mecanismos que se basan en la calidad y disponibilidad de los recursos, que controlan la productividad primaria y el flujo posterior de energía y biomasa a niveles tróficos superiores.Los controles de arriba hacia abajo implican mecanismos que se basan en el consumo de los consumidores. Estos mecanismos controlan la tasa de transferencia de energía de un nivel trófico a otro cuando los herbívoros o depredadores se alimentan de los niveles tróficos inferiores.

Ecosistemas acuáticos vs terrestres

Se encuentra mucha variación en el flujo de energía dentro de cada tipo de ecosistema, creando un desafío para identificar la variación entre los tipos de ecosistemas. En un sentido general, el flujo de energía es una función de la productividad primaria con la temperatura, la disponibilidad de agua y la disponibilidad de luz. Por ejemplo, entre los ecosistemas acuáticos, las tasas de producción más altas se encuentran generalmente en ríos grandes y lagos poco profundos que en lagos profundos y arroyos de aguas cristalinas. Entre los ecosistemas terrestres, las marismas, los pantanos y las selvas tropicales tienen las tasas de producción primaria más altas, mientras que la tundra y los ecosistemas alpinos tienen las más bajas.Las relaciones entre la producción primaria y las condiciones ambientales han ayudado a explicar la variación dentro de los tipos de ecosistemas, lo que permite a los ecologistas demostrar que la energía fluye de manera más eficiente a través de los ecosistemas acuáticos que en los ecosistemas terrestres debido a los diversos controles de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo en juego.

De abajo hacia arriba

La fuerza de los controles de abajo hacia arriba sobre el flujo de energía está determinada por la calidad nutricional, el tamaño y las tasas de crecimiento de los productores primarios en un ecosistema. El material fotosintético es típicamente rico en nitrógeno (N) y fósforo (P) y complementa la alta demanda de N y P de los herbívoros en todos los ecosistemas. La producción primaria acuática está dominada por fitoplancton unicelular pequeño que se compone principalmente de material fotosintético, lo que proporciona una fuente eficiente de estos nutrientes para los herbívoros. En contraste, las plantas terrestres multicelulares contienen muchas estructuras de celulosa de soporte grandes de alto contenido de carbono pero bajo valor nutritivo.Debido a esta diferencia estructural, los productores primarios acuáticos tienen menos biomasa por tejido fotosintético almacenado dentro del ecosistema acuático que en los bosques y pastizales de los ecosistemas terrestres. Esta baja biomasa en relación con el material fotosintético en los ecosistemas acuáticos permite una tasa de rotación más eficiente en comparación con los ecosistemas terrestres. A medida que los herbívoros consumen fitoplancton, sus tasas mejoradas de crecimiento y reproducción reemplazan suficientemente la biomasa perdida y, junto con su calidad densa en nutrientes, respaldan una mayor producción secundaria.

Los factores adicionales que afectan la producción primaria incluyen aportes de N y P, que ocurren en mayor magnitud en los ecosistemas acuáticos. Estos nutrientes son importantes para estimular el crecimiento de las plantas y, cuando pasan a niveles tróficos superiores, estimulan la biomasa de consumo y la tasa de crecimiento. Si alguno de estos nutrientes escasea, puede limitar la producción primaria general. Dentro de los lagos, el P tiende a ser el principal nutriente limitante, mientras que tanto el N como el P limitan la producción primaria en los ríos. Debido a estos efectos limitantes, los aportes de nutrientes pueden aliviar potencialmente las limitaciones de la producción primaria neta de un ecosistema acuático.El material alóctono arrastrado a un ecosistema acuático introduce N y P, así como energía en forma de moléculas de carbono que los productores primarios absorben fácilmente. Mayores insumos y mayores concentraciones de nutrientes respaldan mayores tasas de producción primaria neta, lo que a su vez respalda una mayor producción secundaria.

De arriba hacia abajo

Los mecanismos de arriba hacia abajo ejercen un mayor control sobre los productores primarios acuáticos debido al rol de los consumidores dentro de una red alimentaria acuática. Entre los consumidores, los herbívoros pueden mediar los impactos de las cascadas tróficas al unir el flujo de energía de los productores primarios a los depredadores en los niveles tróficos más altos. En todos los ecosistemas, existe una asociación constante entre el crecimiento de los herbívoros y la calidad nutricional del productor. Sin embargo, en los ecosistemas acuáticos, los productores primarios son consumidos por los herbívoros a un ritmo cuatro veces mayor que en los ecosistemas terrestres. Aunque este tema es muy debatido, los investigadores han atribuido la distinción en el control de herbívoros a varias teorías, incluidas las proporciones de tamaño de productor a consumidor y la selectividad de herbívoros.

La modelización de los controles de arriba hacia abajo sobre los productores primarios sugiere que el mayor control sobre el flujo de energía se produce cuando la relación entre el tamaño del consumidor y el productor primario es la más alta. La distribución de tamaño de los organismos que se encuentran dentro de un solo nivel trófico en los sistemas acuáticos es mucho más estrecha que la de los sistemas terrestres. En tierra, el tamaño del consumidor varía desde más pequeño que la planta que consume, como un insecto, hasta significativamente más grande, como un ungulado, mientras que en los sistemas acuáticos, el tamaño del cuerpo del consumidor dentro de un nivel trófico varía mucho menos y está fuertemente correlacionado con el nivel trófico. posición. Como resultado, la diferencia de tamaño entre productores y consumidores es consistentemente mayor en ambientes acuáticos que en tierra, lo que resulta en un control más fuerte de los herbívoros sobre los productores primarios acuáticos.

Los herbívoros pueden controlar potencialmente el destino de la materia orgánica a medida que pasa por la red alimentaria. Los herbívoros tienden a seleccionar plantas nutritivas mientras evitan plantas con mecanismos de defensa estructural. Al igual que las estructuras de soporte, las estructuras de defensa están compuestas de celulosa rica en carbono y pobre en nutrientes. El acceso a fuentes de alimentos nutritivos mejora el metabolismo de los herbívoros y las demandas de energía, lo que conduce a una mayor eliminación de los productores primarios. En los ecosistemas acuáticos, el fitoplancton es altamente nutritivo y generalmente carece de mecanismos de defensa. Esto da como resultado un mayor control de arriba hacia abajo porque la materia vegetal consumida se libera rápidamente al sistema como desechos orgánicos lábiles.En los ecosistemas terrestres, los productores primarios tienen menos densidad nutricional y es más probable que contengan estructuras de defensa. Debido a que los herbívoros prefieren plantas ricas en nutrientes y evitan plantas o partes de plantas con estructuras de defensa, una mayor cantidad de materia vegetal queda sin consumir dentro del ecosistema. El hecho de que los herbívoros eviten la materia vegetal de baja calidad puede ser la razón por la cual los sistemas terrestres exhiben un control de arriba hacia abajo más débil sobre el flujo de energía.