Circulación de la materia y la energía 2017
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Ecosistema: Es un sistema natural integrado por componentes vivos y no vivos que interactúan entre sí.
(Componentes bióticos + componentes abióticos)
Biocenosis: Comunidad de los seres vivos (componentes bióticos) que componen un ecosistema.
Biotopo: Es el ambiente físico y químico (componentes abióticos) donde se desarrolla un ecosistema.
Biosfera: Es el conjunto formado por todos los seres vivos que habitan la tierra.
Ecosfera: es el conjunto formado por todos los ecosistemas de la tierra, o sea, es el gran ecosistema planetario.
Biomas: Diferentes ecosistemas que hay en la Tierra.
Mecanismo de transferencia de energía de unos organismo a otros en forma de alimento.
Son relaciones de alimentación que se representan mediante cadenas o redes tróficas.
1º nivel trófico. Transforman la materia inorgánica en orgánica mediante la energía solar (fotosíntesis) o la energía liberada en reacciones de oxidación (quimiosíntesis).
Parte de la materia orgánica sintetizada, es consumida directamente en el proceso de la respiración celular.
El resto se almacena en forma de tejidos y puede ser transferida a los siguientes niveles tróficos.
PRODUCTORES
PRODUCTORES H2O + CO2
Pigmentos fotosintéticos
Energía solar +
Materia inorgánica
Materia orgánica propia
(Glucosa otras moléculas)
FOTOSÍNTESIS (O QUIMIOSÍNTESIS)
+ O2
Crecimiento y reparación celular (Reacciones químicas de síntesis que
consumen energía)
+
ANABOLISMO CATABOLISMO
Obtención energía (Respiración celular)
Movimiento Calor Reacciones metabólicas
Se produce en los cloroplastos y su reacción global es: 6 CO2 + 6 H2O + Energía luminosa C6H12O6 + 6 O2
La energía lumínica es captada por la clorofila de las plantas y
utilizada para generar moléculas de ATP y NADPH (Fase luminosa).
En una segunda fase (Fase oscura) la energía química contenida en el ATP y el NADPH es utilizada para reducir moléculas de CO2 hasta gliceraldehido, a partir del cual se sintetizan las moléculas orgánicas, principalmente glucosa.
Con la glucosa se forma almidón, celulosa y otros carbohidratos esenciales en la constitución de las plantas.
Organismos heterótrofos que se alimentan de materia orgánica.
Consumidor cuaternario
Consumidor terciario
Consumidor secundario
Consumidor primario
Productor
Herbívoros: consumidores primarios que se alimentan de los productores. Carnívoros: Se alimentan de los herbívoros. Supercarnívoros
CONSUMIDORES Alimento (Materia orgánica)
Materia orgánica propia
Digestión y otras transformaciones (Componentes sencillos alimento)
Alimento no digerido (Excrementos )
Crecimiento y reparación celular (Reacciones químicas de síntesis que
consumen energía)
+
ANABOLISMO CATABOLISMO
Obtención energía (Respiración celular)
Movimiento Calor Reacciones metabólicas
Se realiza en las mitocondrias: C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + Energía
En la respiración se oxidan las moléculas orgánicas con O2 del aire para obtener la energía necesaria para los procesos vitales. La energía desprendida en esta reacción queda almacenada en ATP y NADH que la célula puede utilizar para cualquier proceso en el que se necesite energía.
Transforman la materia orgánica en
materia mineral: › Bacterias y hongos.
Productores
Consumidores
Descomponedores
Tejidos muertos
Otros: Omnívoros, necrófagos, saprofitos, detritívoros...
El ciclo de materia tiende a ser cerrado
CICLO DE MATERIA: La materia orgánica se recicla por acción de los descomponedores en sales minerales que sirven de nutrientes para los productores.
FLUJO DE ENERGÍA:
La energía solar entra mediante la fotosíntesis en la cadena trófica y pasa de unos eslabones a otros mediante un flujo abierto y unidireccional
El flujo va disminuyendo al degradarse parte de la energía por la respiración y las pérdidas por calor.
El flujo de energía es abierto
BIOMASA Cantidad en peso de materia orgánica (viva o
muerta) de algún nivel trófico o ecosistema.
Se expresa en unidades de peso o de energía y puede estar referida a unidades de superficie o volumen (g C/cm2 , kg C/m2 , tm C/ha).
Es una medida del almacenamiento de la
energía solar en forma de energía química.
PRODUCCIÓN Se refiere al incremento de biomasa. Es una
medida del flujo de energía que recorre el ecosistema por unidad de superficie y tiempo. › Producción primaria: es la cantidad de energía
luminosa transformada en materia orgánica (biomasa) por los productores.
› Producción secundaria: Se refiere a la biomasa producida por los consumidores.
Producción (P) = Biomasa / Tiempo
Producción bruta: Es el total de energía fijada por
unidad de tiempo en un nivel trófico.
Producción neta: Es la energía almacenada en un
nivel trófico. Es el aumento de biomasa por
unidad de tiempo. O sea la energía que queda a
disposición del siguiente nivel trófico después de descontar la respiración. Producción neta (PN) = Producción bruta (PB) ─ Respiración
PRODUCTORES H2O + CO2
Pigmentos fotosintéticos
Energía solar +
Materia inorgánica
Materia orgánica propia
(Glucosa otras moléculas) (PRODUCCIÓN PRIMARIA BRUTA)
FOTOSÍNTESIS (O QUIMIOSÍNTESIS) (PRODUCCIÓN PRIMARIA)
+ O2
Crecimiento y reparación celular (Reacciones químicas de síntesis que
consumen energía)
(PRODUCCIÓN PRIMARIA NETA)
+
ANABOLISMO CATABOLISMO
Obtención energía (Respiración celular)
Movimiento Calor Reacciones metabólicas
(CONSUMO ENERGÉTICO)
Bosque : Gran cantidad de productores primarios: Producción Primaria bruta alta. Producción neta baja. Ya que los organismos consumen mucho en la respiración para mantener sus estructuras.
Pradera: Predominancia de plantas anuales que sufren intensa depredación: Producción primaria bruta baja. Producción neta proporcionalmente alta. El gasto en respiración es bajo debido a que no tienen que mantener estructuras complejas.
CONSUMIDORES Alimento (Materia orgánica)
Materia orgánica propia (PRODUCCIÓN SECUNDARIA BRUTA )
Digestión y otras transformaciones (Componentes sencillos alimento)
(PRODUCCIÓN SECUNDARIA ) Alimento no digerido
(Excrementos )
Crecimiento y reparación celular (Reacciones químicas de síntesis que consumen
energía) (PRODUCCIÓN SECUNDARIA NETA)
+
ANABOLISMO CATABOLISMO
Obtención energía (Respiración celular)
Movimiento Calor Reacciones metabólicas
(CONSUMO ENERGÉTICO)
La energía que pasa de un eslabón a otro es aproximadamente el 10% de la acumulada en él.
PRODUCTIVIDAD: Relación que existe entre producción neta y biomasa. Indica la producción de nueva biomasa en relación con la existente. Es un índice de la velocidad de renovación del ecosistema o tasa de renovación. Varia entre 0 y 1.
TIEMPO DE RENOVACIÓN: Tiempo que tarda en
renovarse un nivel trófico.
Productividad = (Producción neta / Biomasa) × 100
Tiempo de renovación = Biomasa / Producción neta (días, años…)
CULTIVO: Productividad = 1 BOSQUE: Productividad = 0
EFICIENCIA: cociente entre la energía fijada en un nivel trófico o ecosistema y la energía que llega a ese ecosistema o nivel, o lo que es lo mismo: cociente salidas/entradas. › Productores: Energía asimilada (Biomasa)/Energía
incidente (Aprox 1-3%) › Consumidores: PN/alimento total ingerido. › PN/PB(Energía asimilada) Calcula las pérdidas por
respiración (Vegetales >50% de eficiencia) › PN/PN (nivel inferior) x 100
Eficiencia = PN del nivel n / PN del nivel n-1 × 100
Eficiencia de la PPB (Ea/Ei)
% dedicado a Respiración (Pn/Pb)
Comunidades de fitoplancton
< 0,5% 10 - 40%
Plantas acuáticas enraizadas y algas de poca profundidad
> 0,5%
Bosques
2 - 3'5%
50 - 75%
Praderas y comunidades herbáceas
1 - 2%
40 - 50%
Cosechas < 1,5%
40 - 50%
La eficiencia sirve para valorar los ecosistemas explotados por el hombre.
Pirámides de números: Representa el nº de individuos en un nivel trófico.
Pirámides de biomasa: Representa la biomasa acumulada en ese nivel. En sistemas acuáticos la base puede ser más pequeña que el siguiente escalón.
Pirámides de energía: Sigue la regla del 10%, la base representa la cantidad de energía en ese nivel.
Pirámides de energía Pirámides de números
Pirámides de biomasa
CLIC SOBRE LAS PIRÁMIDES PARA AMPLIAR
Consumidores terciarios: 1,9 × 107 kcal/km2 · año
Consumidores secundarios: 5 × 108 kcal/km2 · año
Consumidores primarios: 7 × 109 kcal/km2 · año
Productores: 5 × 1010 kcal/km2 · año
VOLVER
Representa el nº de individuos en un nivel trófico.
Consumidores secundarios: 3 individuos/km2
Consumidores primarios: 2,5 × 104 individuos/km2
Productores: 3,7 × 105 individuos/km2
Consumidores secundarios: 8 individuos
Consumidores primarios: 92 individuos
Productores: 1 individuo
VOLVER
Representa la biomasa acumulada en ese nivel.
Consumidores secundarios: 12 g peso seco/m2
Consumidores primarios: 43 g peso seco/m2
Productores: 950 g peso seco/m2
Consumidores terciarios: 1 g peso seco/m2
Consumidores secundarios: 5,3 × 105 gC/km2
Consumidores primarios: 7 × 105 gC/km2
Productores: 1,6 × 105 gC/km2
Consumidores terciarios: 8 × 104 gC/km2
Consumidores secundarios: 5 × 103 gC/km2
Consumidores primarios: 3,1 × 105 gC/km2
Productores: 9,3 × 105 gC/km2
Consumidores primarios: 21 g peso seco/m2
Productores: 5 g peso seco/m2
VOLVER
En sistemas acuáticos la base puede ser más pequeña que el siguiente escalón.
LEY DEL MÍNIMO: El crecimiento de una especie vegetal se ve limitado por un único elemento que se encuentra en cantidad inferior a la mínima necesaria y que actúa como factor limitante.
Temperatura Agua (humedad) Nutrientes (nitrógeno y fósforo) Luz Concentración de CO2
http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/Fisiologia_celular/contenidos11.htm
Un aumento incrementa la producción, pero si aumenta
en exceso decrece bruscamente.
Niveles altos de CO2 aumentan la productividad como ocurre en invernaderos.
El agua permite el crecimiento, al servir de vehículo a las sales minerales y sin ella los estomas se cierran e impiden el paso de CO2.
Si el nivel de CO2 es bajo cae la fotosíntesis, debido a que la enzima RuBisCO promueve la fotorrespiración.
[CO2] [CO2]
Según como tenga lugar este proceso existen diversos tipos de plantas : › C3 (normales),p.ej. Trigo, patata, arroz, tomate judías.
› C4 (soportan bajos niveles CO2),p.ej. Maíz, caña de azúcar, sorgo, mijo.
Una mayor cantidad de luz provoca un aumento de la
productividad hasta cierto nivel, sobrepasado el cual no aumenta la productividad.
La riqueza y productividad de los ecosistemas dependen de los mecanismos de reciclado de los nutrientes.
Nitrógeno y fósforo: Son factores limitantes muy importantes. En ecosistemas marinos son mucho más condicionantes debido a la dificultad para el reciclado.
Atmósfera
Hidrosfera
Corteza terrestre
Biosfera
Son los caminos realizados por la materia cuando escapan de la biosfera y pasan por la atmósfera, hidrosfera y litosfera.
Tienden a ser cerrados. Las actividades humanas ocasionan la apertura
y aceleración de los mismos. Las acciones humanas contravienen el principio
de sostenibilidad de los ecosistemas: reciclar al máximo la materia para obtener
nutrientes y que no se produzcan desechos.
Atmósfera
Hidrosfera Corteza
Ozono (O3)
Oxígeno molecular (O2)
Óxidos gaseosos (COx, SOx, NOx)
Radiación ultravioleta
Forma parte biomoléculas y agua
O2 disuelto Agua (H2O)
Hidroxilo (OH-)
Aniones (SO4
-, NO3-, CO3
2-)
Óxidos metálicos (Fe2O3 y otros) Oxisales (CaSO4 y otros) Silicatos (minerales de arcilla y otros)
Meteorización química (oxidación)
Escape a la atmósfera
Disolución Fotosíntesis
Respiración D
esco
mpo
sici
ón
anae
robi
a
Respiración
Fotosíntesis Dis
oluc
ión
de
sale
s so
lubl
es
Biosfera
Ciclo biológico: Fotosíntesis que fija carbono y respiración que lo devuelve.
Ciclo biogeoquímico: Atmósfera e
hidrosfera intercambian CO2 por difusión. › Paso de la atmósfera a la litosfera: el CO2 se
disuelve en agua que ataca rocas (carbonatadas y silicatadas) formando compuestos que irán al mar.
› Retorno del CO2 a la atmósfera mediante erupciones.
› Sumideros fósiles.
CO2 ATMOSFÉRICO
PRODUCTORES CONSUMIDORES
Restos Restos
RESP
IRACI
ÓN y
DES
COM
POSI
CIÓN
CARBÓN Y PETRÓLEO
Combustión
CO2 disuelto en HIDROSFERA Incendios
Vulcanismo
DESCOMPONEDORES
Caparazones y esqueletos
ROCAS CARBONATADAS
Fija
ción
bioqu
ímica
Equilibrio
Disolución rocas carbonatadas
Met
eoriz
ació
n qu
ímic
a
LITOSFERA: Mayor depósito terrestre de carbono.
Atmósfera
Hidrosfera Corteza
Metano (CH4)
Clorofluorocarbonos
Dióxido de carbono (CO2)
Oxidación
Forma biomoléculas y exoesqueletos y conchas
CO2 disuelto como ion HCO3
- e ion CO3-
CH4 acumulado en sedimentos
Magmas, rocas calizas, combustibles fósiles y materia orgánica muerta en el suelo
Disolución Difusión a la atmósfera
Actividad volcánica
Meteorización química (carbonatación)
Fotosíntesis
Respiración y combustión
Res
pira
ción
y a
ctiv
idad
de
bac
teria
s m
etan
ógen
as
Fotosíntesis D
isol
ució
n
de c
arbo
nato
s
Precipitación
Biosfera
El N2 se encuentra en grandes cantidades en forma de gas en la atmosfera, pero es inaccesible para la mayoría de seres vivos.
Es después del P el principal condicionante de la producción de biomasa. Es imprescindible para la construcción de aminoácidos y ácidos nucleicos.
El ciclo consta de 4 procesos:
› La fijación (N2 NOx): se puede realizar en la atmósfera, pero la mayor parte la realizan microoganismos. › La amonificación (NH3): la realizan bacterias que producen amoniaco proveniente de la descomposición de seres vivos. › La nitrificación la realizan bacterias que transforman el amoniaco en primer lugar en nitritos (NO2
-) y después en nitratos NO3
-). › La desnitrificación: la realizan bacterias anaeróbicas que descomponen los nitritos en N2.
N2 ATMOSFÉRICO
VEGETALES CONSUMIDORES
Restos orgánicos
DESCOMPONEDORES NO3-
(Nitratos)
NH4+
(Amonio)
Amonificación (Bact. Quimiorganotrofas)
NO2-
(Nitritos)
Nitrosación
(Nitrosomonas sp.)
LEGUMINOSAS (Rhizobium sp.)
Fijación simbiótica
Des
nitr
ific
ació
n
(hon
gos
y Ps
eudo
mon
as…)
Vulcanismo
ACTIVIDAD HUMANA: Combustiones, Fijación industrial, uso fertilizantes
Hidrosfera Corteza Biosfera
Biomoléculas (ácidos nucleicos y aminoácidos)
Disolución de óxidos en el agua de
las precipitaciones
Desnitrificación bacteriana y putrefacción
Iones solubles: nitrato (NO3-),
nitrito (NO2-), amonio (NH4
+). Materia orgánica (sedimentos)
Nitratos (NaNO3) (evaporitas)
Óxidos (NOx)
Amoniaco (NH3)
Nitrógeno molecular (N2)
Oxidación por las descargas eléctricas
Escape como residuo
de actividades humanas
Actividad volcánica
Met
eoriz
ació
n (d
isol
ució
n)
Precipitación
Putre
facc
ión
y ap
orte
de
orig
en a
ntró
pico
Asimilación
Meteorización (disolución)
Fijación por bacterias y cianobacterias
La reserva principal de fósforo lo constituyen los fosfatos (litosfera -> lento retorno).
Existe mucho más N que P en la Tierra, pero los organismos necesitamos tener más P que N, por ello es el principal factor limitante para la producción de biomasa.
Hidrosfera
Corteza Biosfera
Extracción para obtener fertilizantes
<<
Forma parte de biomoléculas (ATP) y esqueletos
PO43-
HPO42-
H2PO4-
Rocas volcánicas y sedimentarias (fosforitas)
Absorción por parte de los productores
Descomposición
Precipitación
Meteorización
El S se encuentra mayoritariamente en la hidrosfera en forma de sulfatos.
Las plantas y microorganismos pueden incorporar directamente como sulfato.
El sulfuro de hidrogeno puede generar lluvias ácidas.
Atmósfera
Hidrosfera Corteza Biosfera
Sulfuro de hidrógeno (H2S)
Óxidos gaseosos (SOx)
Oxidación
Actividad humana Biomoléculas
Sulfuro de hidrógeno (H2S) Aniones (SO2
2-, SO32-, SO4
2-) Volcanes Yeso (CaSO4 · 2 H2O)
Combustión de combustibles fósiles, principalmente carbón rico en azufre Actividad volcánica
Disolución con el agua de lluvia
Escape a la atmósfera
Des
com
posi
ción
y p
rodu
ctos
de
exc
reci
ón. D
esec
hos
de
min
ería
de
carb
ón
Fotosíntesis del azufre
Met
eoriz
ació
n qu
ímic
a
(dis
oluc
ión)
Precipitación