Lectura para el punto 6 del Trabajo de Biofísica Corte 3 EL ECOSISTEMA COMO UNIDAD DE ESTUDIO DE LA ECOLOGÍA. EL FLUJO DE ENERGÍA EN LOS ECOSISTEMAS. ¿Qué es la energía? Definiciones y unidades. Tipos de flujo de energía: endosomático y exosomático. Las Leyes de la Termodinámica explican el flujo de energía a través de los ecosistemas. El flujo de energía a través de la biosfera. Concentración y calidad de la energía. Componentes de los ecosistemas.

1. Biosistema. 2. Flujo de energía. 3. Ciclo de materiales. 4. Almacenamiento de materiales.

ECOSFERA = materiales (ciclo de nutrientes) + transporte (ciclo del agua) + ENERGÍA (leyes de la termodinámica)

La energía es el denominador común de la vida en nuestro planeta. Sin energía no hay vida. Los ecosistemas en su estructura pueden carecer de algún componentes y su bandas verde y marrón se pueden organizar de diferentes formas, pero el funcionamiento siempre es el mismo (flujo de materia y energía). Para que funcione un ecosistema, los nutrientes han de ser transportados. Por ello, se ha de tener en cuenta que cualquier actividad tiene que ver con un paquete de energía. Por ejemplo, para que la materia inorgánica sea transferida por la banda marrón a la verde (que la transforma en materia orgánica) se necesita un paquete de energía. La energía en los ecosistemas cumplen las leyes de la termodinámica. No siempre la energía solar ha sido el motor de funcionamiento de los ecosistemas del planeta. Hace 1.500 ma la ecosfera carecía de banda verde; en ese momento la fuente de energía era química y los productores primarios dominantes eran quimiolitótrofos. Posteriormente (2.500 ma) surgen los fotótrofos – la banda verde – que utiliza como fuente de energía la lumínica por fotosíntesis. Se produce además un cambio en la composición atmosférica, que pasa de reductora a oxidante. En la actualidad, dominan los ecosistemas de producción primaria de tipo fotótrofa, pero los quimiolitótrofos siguen existiendo en el fondo de los océanos. ¿Qué es la energía? Definiciones y unidades. La energía es lo que en último término permite crear, transformar, destruir, mantener o mover de algún modo la materia. La energía es la moneda de cambio de la ecosfera: ningún cambio en la materia ocurre sin absorción o liberación de energía. En términos termodinámicos, es la capacidad de realizar un trabajo (W = FxD).

Materia: de lo que está hecho cualquier cosa que ocupa un espacio y posee masa.

Energía: capacidad de hacer un trabajo, es decir, capacidad de mover materia a una distancia, hacer o confeccionar algo. No tiene masa, no ocupa espacio. Afecta a la materia generando cambios en su posición o su estado. Todo cambio en la materia necesita energía.

Todas las formas de energía pueden agruparse en dos tipos: energía potencial y energía cinética, según esté almacenada o llevando a cabo algún trabajo.

La energía potencial es la energía almacenada, latente, con uso potencial (carbón, petróleo, madera, etc.) para hacer un trabajo.

La energía cinética es la energía contenida en los objetos en movimiento, realizando un trabajo. La energía puede transformarse en muchas formas cuando está actuando, pasando de un estado a otro (luz, movimiento, sonido, electricidad….).

La energía es además la capacidad de transferir calor, con poca capacidad de trabajo pero sí de movimiento molecular y de incremento de la temperatura.

Calor: energía resultante después de que una energía más concentrada realice un trabajo. Se usa para describir la energía cinética transferida por convección, conducción o radiación entre objetos con distinta temperatura (de caliente a frío) hasta llegar al equilibrio térmico. Al absorber calor se incrementa la energía cinética, aumenta la temperatura y pueden producirse cambios de estado (sólido a líquido o líquido a gaseoso).

Temperatura: velocidad media del movimiento de átomos, iones o moléculas de un cuerpo. Es la medida de la intensidad del calor, sentimos el calor por las diferencias de temperatura (T1>T2).

La utilidad de la energía depende de su calidad. Las diferentes formas en las que puede actuar la energía tienen como consecuencia que no solo importe la cantidad de energía disponible, sino la calidad de la misma. La calidad de la energía es la medida de la capacidad de una fuente de energía de realizar un trabajo útil. La energía de calidad es aquella que se encuentra concentrada, intensa, con alta temperatura y gran capacidad para realizar un trabajo. Para ahorrar energía necesitamos emparejar la calidad de la fuente de energía con la calidad de la energía para hacer un trabajo. El gran problema de la sostenibilidad es que se utilizan fuentes de energía de gran calidad y capacidad para llevar a cabo trabajos que no requieren una energía tan concentrada. No todas las energías tienen la misma capacidad para hacer un trabajo, por lo que interesa utilizar en cada caso la energía adecuada para que no se pierda una gran cantidad de energía en forma de calor (que no es recuperable). ¿En qué unidades se mide la energía? Unidades: vatios, caballos de potencia, m3, calorías… nos indican el trabajo que podemos realizar.

1 JULIO (SI) = 4,168 CALORÍAS

La caloría es una unidad basada en el calor específico del agua: es la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar un grado Celsius un gramo de agua pura desde 14,5 a 15,5ºC a la presión de una atmósfera. Sirve para expresar el poder energético de los alimentos. En ecología se utiliza la caloría por unidad de superficie (m2) o hectárea, expresando biomasa. La biomasa por unidad de superficie y tiempo definiría la producción. Ecología y termodinámica. Todo lo que ocurre en un ecosistema puede describirse como una transferencia de energía de un lugar a otro o como una transformación de un tipo de energía a otro. E. Odum desarrolla la ecología energética, en la que el planeta es entendido desde el punto de vista de la termodinámica. Traduce los ecosistemas mediante el establecimiento de terminología – el lenguaje energético de Odum – y gráficos, un lenguaje que permite estandarizar el estudio de los ecosistemas desde el punto de vista del flujo de energía.

Las características esenciales de la aproximación energética o termodinámica de Odum puede establecerse en 5 premisas básicas:

1. Todos los aspectos de los ecosistemas pueden ser descritos en términos de energía. 2. Se necesita un lenguaje estándar energético para hacer una aproximación holística de los ecosistemas. 3. Principio de Máxima Potencia: los ecosistemas evolucionan de tal forma que maximizan su potencia. Los

Sistemas que sobreviven son aquellos organizados de tal modo, que traen energía para sí lo mas rápido posible y utilizan esa energía para retroalimentarse y traer más energía. Usan la energía más eficientemente.

4. La estructura jerárquica de los ecosistemas puede deducirse del flujo de energía en los ecosistemas. 5. La sucesión puede explicarse en términos del principio de Máxima Potencia y termina en un estado del

sistema estable con máxima biomasa y máxima producción bruta. Tipos de flujo de energía: endosomático y exosomático. La ecosfera fluye a través de los flujos de energía endosomática y exosomática.

La energía exosomática es aquella que llega a los ecosistemas a través del espectro de luz solar, que alcanza la banda verde. Únicamente el 1% de esta energía lumínica es fijada en forma de energía química por los productores primarios. Existe una relación normalmente logarítmica entre la producción primaria y las energías de apoyo o exosomáticas. La energía exosomática es del orden de 20/50 veces mayor que la endosomática.

La energía endosomática es aquella que fluye a través de los distintos componentes de los ecosistemas, desde los productores primarios que la fijan en forma de energía química hacia los consumidores, mediante relaciones tróficas.

La variabilidad global de la energía exosomática (clima, gravedad...) explica la distribución de los organismos y ecosistemas. Ambos tipos de energía se condicionan mutuamente. El poder del ser humano pasa por el control del flujo exosomático. El problema de la sociedad actual es la lucha por el control del uso de los recursos naturales, que ha conseguido controlar las distintas formas de energía exosomática (agua, clima, etc) gracias su dimensión social y el avance tecnológico. El consumo de energía exosomática se mide por el uso de energía concentrada que tiende a incrementarse de modo que quien gasta mucho tiene tendencia a gastar más (del orden de 100 a 1.000 veces más que las 2.500 kcal/día necesarias para una vida sencilla). A diferencia de otros animales, no solo usamos energía para sobrevivir, sino también para vestirnos, viajar, calentarnos, etc. El 90% de la energía que utilizamos es exometabólica. Como especie, el ser humano requiere unas 2.500-300 Kcal para el mantenimiento de su flujo endosomático, valor constante a lo largo de toda la evolución humana. En cambio, a lo largo de su historia, los sistemas humanos han incrementado de forma alarmante el consumo de energías exosomáticas por razones culturales, especialmente en las ciudades. Una de sus máximas expresiones es la desigualdad entre sociedades ricas y pobres. Las Leyes de la Termodinámica explican el flujo de energía a través de los ecosistemas. Las termodinámica estudia sistemas físicos, cómo fluyen y se producen las transformaciones de la energía. Estos sistemas pueden ser de dos tipos:

a) Sistemas abiertos. Intercambian energía/materia con el medio. b) Sistemas cerrados. No intercambian energía/materia con el medio.

La ecosfera es un sistema termodinámico abierto energéticamente pero cerrado en el intercambio de materiales. Los ecosistemas son sistemas termodinámicamente abiertos.

Energía exosomática >>>> Energía endosomática

CULTURAL METABÓLICA

La termodinámica se aplica a la ecología de sistemas ya que ayuda a comprender las propiedades emergentes y bucles de realimentación de los ecosistemas, que son a fin de cuentas sistemas termodinámicos. La termodinámica ayuda a comprender el funcionamiento de los ecosistemas y como gestionarlos sosteniblemente. Las leyes de la termodinámica explican que para obtener energía cinética a partir de energía potencial se requiere de un conversor o transformador de dicha energía, para que pueda ser utilizada en la realización de un trabajo. 1. Primera Ley de la Termodinámica: Ley de la conservación de la energía. En un cambio físico o químico, la energía puede pasar de una forma a otra pero ni se crea ni se destruye, ni se gana ni se pierde la energía implicada. Regla de la naturaleza: no se puede conseguir algo de la nada en términos de energía. ¿Por qué hay que estar continuamente aportando energía a los sistemas vivos? La mayoría de la energía que entra se disipa en forma de calor (poco concentrada).

ESQUEMA DE ODUM.

Pb = Pn + R Pb = Flujo de entrada al sistema Pn = Cambio de energía en el sistema R = Medida del trabajo realizado con parte de la Pb (E. cinética) B = Cantidad de energía almacenada (E. potencial)

En un ecosistema, la energía o se almacena en biomasa (energía potencial) o realiza un trabajo (producción: energía cinética). La energía no se crea ni se destruye, sino que se transfiere de una forma a otra o de un sitio a otro o se almacena. No puede salir más energía de la que entra.

ENTRADA

ENERGÍ A

E. Potencial

Energía solar

(lumínica)PLANTAS

(ecosistemas)

Crecimiento,

reproducción

Alimento

(química)HUMANOS Pensamiento,

movimiento,repro

ducción Gasolina

(química)MAQUINA

(coche)Locomoción

TRANSFORMADOR ENERGI A

E. Cinética

TRABAJO

REALI ZADO

Las leyes de la termodinámica nos explica

como un conversor toma energía y la usa

para hacer un trabajo

LOS ECOSISTEMAS COMO CONVERSORES DE ENERGÍA

La termodinámica nos ayuda a conocer y gestionar los ecosistemas

1ª Ley= EN LA NATURALEZA NO HAY NADA GRATI S

FUENTE

SUMIDERO

ESTRUCTURA

DISIPATIVA

C) Glúcidos: 2 unidades

en forma de energía

química (concentrada)1º Ley= A= B+ C

B) Calor : 98 unidades en

forma de energía muy

diluida

Pb= Pn + R

Pb= flujo de entrada al sistema

Pn= cambio de energía en el sistema

R= mide el trabajo realizado con parte de la Pb (E. cinetica)

B= cantidad de energía almacenada (E. potencial)

Q= E+W

Q= entrada de energía = E= cambio energía sistema + W=trabajo realizado

La energía de entrada es igual a la de salida

aunque dentro del sistema puede cambiar de

forma

La energía no se crea ni se

destruye sino se transfiere de

una forma a otra o de un sitio

a otro o se almacena.

No podemos sacar mas

energía que la que ponemos

Energía

lumínica100 unidades

En un ecosistema la energía o se almacena en biomasa

( e. potencial ) o realiza un trabajo Producción; e

.cinética) .

2º Ley = C < A ya que B

La radiación solar es la fuente que aporta energía lumínica, energía muy diluida. En el ecosistema, las estructuras disipativas son capaces de fijar el 1% de esta energía en forma de energía química (mas concentrada, con capacidad de realizar un trabajo) y el 98% restante se pierde (sumidero) en forma de calor. Ley de la conservación de la materia. La ecosfera es un sistema termodinámicamente cerrado para la materia, por lo que no se pierde ni se gana. Los elementos y compuestos pueden cambiar de un estado a otro, pero no hay ningún proceso físico o químico por el cual se pueda crear o destruir ninguno de los átomos que entran en juego. El modelo de reciclado actual no es sostenible. El reciclado artificial de los recursos como agua, materiales o papel no es gratis, no es instantáneo: exige una gran cantidad de energía y supone un gran gasto económico. Al igual que ocurre en la naturaleza, se ha de reciclar todos los materiales que se utilizan.

Regla de la sostenibilidad: reciclar con energías renovables como la eólica o la solar y no con energía fósil, de gran coste monetario y de contaminación que altera la capacidad de reciclado natural de los ecosistemas. ¿Si la cantidad total de energía se conserva, por qué no podemos reciclarla? En esta transferencia de energía se entiende la energía como una capacidad para hacer un trabajo o transmitir calor. La energía en forma de calor supone un incremento de temperatura, pero no una capacidad de realizar trabajo. La energía no se pierde, pero se transforma. 2. Segunda Ley de la Termodinámica: Ley de calidad de energía.

En cualquier cambio de energía de una forma a otra siempre terminamos con menos energía útil que con la que se comenzó. Regla de la naturaleza: no se puede terminar a la par en términos de calidad de energía. Explica por qué el flujo de energía es unidireccional. No toda la energía transformada por los conversores energéticos puede realizar un trabajo (energía cinética), ya que parte se transforma en energía de baja calidad (calor). Cualquier transferencia o transformación conlleva que parte de la energía útil se pierda en forma de calor. Las transformaciones o transferencias de energía no son eficientes al 100%. Cuanta más energía de calidad usamos, mayor cantidad de energía de baja calidad (calor) se emite al ambiente.

- Por ejemplo, la energía potencial de los seres humanos no se aprovecha al 100% en forma de energía cinética; en función de la tasa metabólica de cada individuo se pierde un porcentaje mayor o menor en forma de calor. En la actualidad, las máquinas más eficientes son capaces de aprovechar el 70% de la energía potencial que se utiliza como combustible.

La energía en los ecosistemas fluye desde formas concentradas a formas diluidas, no se distribuye de forma equitativa. En una transferencia o transformación de energía se produce una reducción de su calidad (no de su cantidad) de una forma concentrada (energía potencial química, fijada en las estructuras disipativas) a una diluida (calor, sumidero).

La biomasa es la forma en la que se almacena la energía en el ecosistema (energía potencial, energía química de alta calidad). A través de la fotosíntesis, los productores primarios transforman la energía lumínica de baja calidad, el agua, CO2, etc. en glúcidos. Esta energía potencial o se usa o se almacena, en cualquier caso, fluirá a través del ciclo de nutrientes a través de las redes tróficas de los ecosistemas. Los paquetes de energía no se pueden transmitir de un ser vivo a otro, pero sí los materiales que forman la biomasa.

Las estructuras disipativas van a transformar la energía química almacenada en la biomasa en energía cinética mediante la respiración.

La energía química – en último término, energía lumínica – conforme pasa de un nivel a otro en el ecosistema supone además de una emisión de calor al medio, la generación de residuos. Por tanto, cada

vez se tiene una menor cantidad de energía para realizar un trabajo. Si se rompe el flujo energético del ecosistema, su dinámica no es sostenible.

En la relación entre la formación de biomasa (energía potencial elevada) que necesita aporte de energía y la descomposición (energía potencial baja) que libera energía se puede apreciar la dinámica energética de los ecosistemas.

En base a la segunda ley de la termodinámica, el flujo de energía en los ecosistemas es unidireccional. El flujo de energía (endosomático) en el ecosistema tiene

lugar porque hay una fuente (sol) un sumidero (ambiente) y una estructura disipativa (ecosfera).

En el biosistema, el flujo de energía hace que haya menos energía disponible en cada nivel trófico – grupo funcional de organismos que comparten la misma fuente energética – en tanto que el ciclo de materia hace que siempre exista la misma oferta de materiales. Las transferencias de energía entre niveles tróficos son del orden del 10% (Ley del 10%) lo que da lugar a las pirámides de biomasa: en general, siempre va a existir mayor energía potencial en forma de productores primarios que en forma de consumidores secundarios, terciarios, etc.

¿Por qué las fieras son escasas? Existen niveles tróficos – supercarnívoros – que son muy costosos para el ecosistema para que el ecosistema sea sostenible, los predadores superiores no pueden alimentarse de más del 10% de la energía potencial de sus presas, y por eso son escasos. Flujo de energía a través de una cadena trófica. La energía solar recicla el agua – 25% de la energía, el ciclo del agua es vital para la ecosfera ya que moviliza el flujo de nutrientes y regula el clima – y los materiales de forma gratuita, al contrario que ocurre con los combustibles fósiles. Únicamente el 1% de la energía lumínica se convierte en biomasa de los ecosistemas, y resulta suficiente para mantenerlos. Los ecosistemas son energéticamente hablando, altamente eficientes y autosuficientes.

El desarrollo de las nuevas tecnologías - maquinaria, fertilizantes, regadío, plaguicidas… - ha provocado que los seres humanos sean capaces de controlar el flujo de energía exosomático, mediante el uso de subsidios energéticos que aportan energía altamente concentrada. Esto permite cambiar el flujo endosomático, quedando disponible mas del 10% del nivel anterior, que se ve entonces explotado. 2. Segunda Ley de la Termodinámica: Ley de la Entropía. La entropía es una medida del desorden de la materia en términos de cantidad de energía inasequible (no utilizable) en un sistema termodinámico. Un sistema organizado tiene una baja entropía (energía degradada) y alta energía

LA 2ª LEY DE LA ENERGIA NOS DICE QUE CUANDO LA ENERGIA SE

TRANSFORMA SE PRODUCE UNA REDUCCION DE LA CALIDAD DE LA

ENERGIA. LA ENERGÍ A NO PUEDE RECI CLARSE

+ residuos+ residuos + residuos

+ residuos

Terminamos con menos energía que con la que empezamos

calor calor calor

Energía

solar

lumínica

Química

FotosíntesisE.Quimica

alimento

Química

movimientocalor

Cada vez que la energía se transfire o cambia de una forma a otra,

parte de la de energía de entrada de alta calidad se degrada en

forma de calor (energía de baja calidad ) que se disipa en el

ambiente y genera residuos

libre (energía útil) al tener estructuras mas complejas. La entropía está por tanto relacionada con la complejidad de las estructuras. La energía disipada en forma de calor desorganiza o dispersa las moléculas del sumidero, incrementando su entropía. Los sistemas se dirigen espontáneamente hacia una energía potencial menor y el aumento de entropía. Los ecosistemas, como sistema termodinámico abierto alejado del equilibrio, disipan energía (en forma de calor, respiración…) por lo que requieren un suministro constante de energía para mantener su complejidad estructural y unos niveles de entropía bajos. La paradoja de la energía en los seres vivos. La tendencia de la vida es producir orden al desorden, creando estructuras complejas. Los organismos para crear orden generan desorden a su alrededor. Los seres vivos son sistemas termodinámicos abiertos fuera del equilibrio que requieren energía de alta calidad de forma constante para mantener su complejidad estructural, que disipan en forma de respiración. La entropía es más baja y la energía libre más alta cuanto mas compleja es la estructura, distinta para cada ser vivo; supone un mayor/menor coste energético en cada casa (seres humanos > lagartija). Bolsillo de entropía. El estilo de vida actual genera un gran incremento del flujo de energía libre (exosomática) y materiales para mantener una sociedad compleja. El mantenernos organizados tiene el coste de degradar nuestro entorno, ya que el sistema de producción de materiales requiere que para un incremento local de orden (el producto) se requiera el incremento general del desorden del sistema. Si la sociedad cada vez requiere una mayor cantidad de materiales, el sistema acabará perdiendo su equilibrio; por ello es importante apostar por las energías renovables, de menor impacto (generan un menor incremento de la entropía).

Memoria energética. El valor de un elemento o proceso de un ecosistema no reside en la cantidad de energía que hace falta para mantenerlo sino en la cantidad de energía que hizo falta para crearlo. La memoria energética hace referencia a la cantidad de energía que ha sido usada directa o indirectamente para crear un componente o proceso de un ecosistema.

No todas las formas de energía tienen la misma capacidad para realizar un trabajo: una unidad de biomasa vegetal no contiene la misma energía que una equivalente de carne. A medida que se avanza en la cadena trófica, la cantidad de energía decrece (ley del 10%) pero su calidad aumenta (se concentra) y adquiere una mayor calidad, que se traduce en una mayor capacidad de realizar un trabajo. Transformicidad: relación entre la cantidad de energía requerida para convertirla en otra de otro tipo. Se requieren 100 kcal de energía solar para obtener 1 kcal de energía química en forma de productores primarios, pero esta última tiene una mayor capacidad de trabajo. Del mismo modo, 10.000 kcal de energía solar equivalen a 1 kcal de depredador, mucho mas caro energéticamente para el ecosistema.

100 kcal solares = 1 kcal de materia orgánica = 100 kcal por kcal

- 100 kcal solares = 1 kcal productor primario T=1.000 - 10.000 kcal solares = 1 kcal depredador T=10.000 - 100 unidades de herbívoros = 1 depredador

La energía se concentra conforme se avanza en los niveles tróficos. A medida que la energía fluye a través de una red de sucesivas transformaciones cambia el tipo de energía su concentración y su capacidad de producir efectos amplificados.

MEMORIA ENERGETICA(EMERGIA)

La cantidad de energía que ha sido usada directa o

indirectamente para crear un componente o proceso de un

ecosistema

Incremento de calidad de energía

Aumento de la concentración calorias solares/calorías

La energía se concentra conforme se avanza en los niveles tróficos. A medida que

la energía fluye a través de una red de sucesivas transformaciones cambia el tipo

de energía su concentración y su capacidad de producir efectos amplificados.