Ecosystem
Ecosystems are controlled both by external and internal factors. Los factores externos, también llamados factores de estado, controlan la estructura general de un ecosistema y la forma en que funcionan las cosas dentro de él, pero no están influenciados por el ecosistema. El más importante de ellos es el clima. El clima determina el bioma en el que está incrustado el ecosistema. Los patrones de lluvia y las temperaturas estacionales influyen en la fotosíntesis y, por lo tanto, determinan la cantidad de agua y energía disponible para el ecosistema.
El material original determina la naturaleza del suelo en un ecosistema e influye en el suministro de nutrientes minerales. La topografía también controla los procesos de los ecosistemas al afectar cosas como el microclima, el desarrollo del suelo y el movimiento del agua a través de un sistema. Por ejemplo, los ecosistemas pueden ser muy diferentes si están situados en una pequeña depresión del paisaje, en comparación con uno presente en una ladera empinada adyacente.
Otros factores externos que desempeñan un papel importante en el funcionamiento de los ecosistemas incluyen el tiempo y la biota potencial. De manera similar, el conjunto de organismos que potencialmente pueden estar presentes en un área también puede afectar significativamente a los ecosistemas. Los ecosistemas en ambientes similares que se encuentran en diferentes partes del mundo pueden terminar haciendo las cosas de manera muy diferente simplemente porque tienen diferentes piscinas de especies presentes. La introducción de especies no nativas puede causar cambios sustanciales en la función del ecosistema.
A diferencia de los factores externos, los factores internos en los ecosistemas no solo controlan los procesos de los ecosistemas, sino que también son controlados por ellos. En consecuencia, a menudo están sujetos a bucles de retroalimentación. Mientras que los insumos de recursos generalmente están controlados por procesos externos como el clima y el material original, la disponibilidad de estos recursos dentro del ecosistema está controlada por factores internos como la descomposición, la competencia de raíces o el sombreado. Otros factores como la perturbación, la sucesión o los tipos de especies presentes también son factores internos.
la producción Primaria
La producción primaria es la producción de materia orgánica a partir de fuentes de carbono inorgánico. Esto ocurre principalmente a través de la fotosíntesis. La energía incorporada a través de este proceso sustenta la vida en la tierra, mientras que el carbono constituye gran parte de la materia orgánica en la biomasa viva y muerta, el carbono del suelo y los combustibles fósiles. También impulsa el ciclo del carbono, que influye en el clima global a través del efecto invernadero.
A través del proceso de fotosíntesis, las plantas capturan energía de la luz y la usan para combinar dióxido de carbono y agua para producir carbohidratos y oxígeno. La fotosíntesis llevada a cabo por todas las plantas de un ecosistema se denomina producción primaria bruta (GPP). Aproximadamente la mitad del GPP se consume en la respiración de las plantas. El resto, la parte de la CPE que no se consume por la respiración, se conoce como producción primaria neta (PPN). La fotosíntesis total está limitada por una serie de factores ambientales. Estos incluyen la cantidad de luz disponible, la cantidad de área foliar que una planta tiene para capturar la luz (el sombreado por otras plantas es una limitación importante de la fotosíntesis), la velocidad a la que se puede suministrar dióxido de carbono a los cloroplastos para apoyar la fotosíntesis, la disponibilidad de agua y la disponibilidad de temperaturas adecuadas para llevar a cabo la fotosíntesis.
Flujo de energía
entran en los ecosistemas a través de la fotosíntesis, se incorporan al tejido vivo, se transfieren a otros organismos que se alimentan de la materia vegetal viva y muerta, y finalmente se liberan a través de la respiración.
El carbono y la energía incorporados a los tejidos de las plantas (producción primaria neta) son consumidos por los animales mientras la planta está viva, o permanecen sin comer cuando el tejido de la planta muere y se convierte en detritus. En los ecosistemas terrestres, aproximadamente el 90% de la producción primaria neta termina siendo desglosada por descomponedores. El resto es consumido por los animales mientras aún están vivos y entra en el sistema trófico basado en plantas, o se consume después de que ha muerto y entra en el sistema trófico basado en detritos.
En los sistemas acuáticos, la proporción de biomasa vegetal que consumen los herbívoros es mucha higher.In los organismos fotosintéticos de los sistemas tróficos son los principales productores. Los organismos que consumen sus tejidos se denominan consumidores primarios o productores secundarios: herbívoros. Los organismos que se alimentan de microbios (bacterias y hongos) se denominan microbívoros. Los animales que se alimentan de consumidores primarios-carnívoros-son consumidores secundarios. Cada uno de ellos constituye un nivel trófico.
La secuencia de consumo—de planta a herbívoro, a carnívoro-forma una cadena alimenticia. Los sistemas reales son mucho más complejos que esto: los organismos generalmente se alimentan de más de una forma de alimento y pueden alimentarse a más de un nivel trófico. Los carnívoros pueden capturar algunas presas que forman parte de un sistema trófico basado en plantas y otras que forman parte de un sistema trófico basado en detritos (un ave que se alimenta tanto de saltamontes herbívoros como de lombrices de tierra, que consumen detritos). Los sistemas reales, con todas estas complejidades, forman redes alimentarias en lugar de cadenas alimentarias. La cadena alimentaria generalmente consta de cinco niveles de consumo que son productores, consumidores primarios, consumidores secundarios, consumidores terciarios y descomponedores.
Descomposición
El carbono y los nutrientes de la materia orgánica muerta se descomponen por un grupo de procesos se conoce como descomposición. Esto libera nutrientes que luego se pueden reutilizar para la producción de plantas y microbios y devuelve el dióxido de carbono a la atmósfera (o al agua) donde se puede usar para la fotosíntesis. En ausencia de descomposición, la materia orgánica muerta se acumularía en un ecosistema, y los nutrientes y el dióxido de carbono atmosférico se agotarían. Aproximadamente el 90% de la producción primaria neta terrestre va directamente de la planta al descomponedor.
Los procesos de descomposición se pueden separar en tres categorías: lixiviación, fragmentación y alteración química de material muerto. A medida que el agua se mueve a través de la materia orgánica muerta, se disuelve y lleva consigo los componentes solubles en agua. Estos son absorbidos por los organismos en el suelo, reaccionan con el suelo mineral o son transportados más allá de los confines del ecosistema (y se consideran perdidos en él). Las hojas recién desprendidas y los animales recién muertos tienen altas concentraciones de componentes solubles en agua e incluyen azúcares, aminoácidos y nutrientes minerales. La lixiviación es más importante en ambientes húmedos y mucho menos importante en ambientes secos.
Los procesos de fragmentación rompen el material orgánico en trozos más pequeños, exponiendo nuevas superficies para la colonización por microbios. La hojarasca recién desprendida puede ser inaccesible debido a una capa externa de cutícula o corteza, y el contenido celular está protegido por una pared celular. Los animales recién muertos pueden estar cubiertos por un exoesqueleto. Los procesos de fragmentación, que rompen estas capas protectoras, aceleran la velocidad de descomposición microbiana. Los animales fragmentan detritos mientras cazan comida, al igual que el paso a través del intestino. Ciclos de congelación y descongelación y ciclos de humectación y secado también fragmentan el material muerto.
La alteración química de la materia orgánica muerta se logra principalmente a través de la acción bacteriana y fúngica. Las hifas fúngicas producen enzimas que pueden atravesar las duras estructuras externas que rodean el material vegetal muerto. También producen enzimas que descomponen la lignina, lo que les permite acceder tanto al contenido celular como al nitrógeno de la lignina. Los hongos pueden transferir carbono y nitrógeno a través de sus redes hifales y, por lo tanto, a diferencia de las bacterias, no dependen únicamente de los recursos disponibles localmente.
Las tasas de descomposición varían entre ecosistemas. La tasa de descomposición se rige por tres conjuntos de factores: el entorno físico (temperatura, humedad y propiedades del suelo), la cantidad y calidad del material muerto disponible para los descomponedores y la naturaleza de la comunidad microbiana en sí. La temperatura controla la velocidad de respiración microbiana; cuanto mayor sea la temperatura, más rápida se produce la descomposición microbiana. También afecta a la humedad del suelo, lo que ralentiza el crecimiento microbiano y reduce la lixiviación. Los ciclos de congelación y descongelación también afectan la descomposición: las temperaturas de congelación matan los microorganismos del suelo, lo que permite que la lixiviación desempeñe un papel más importante en el movimiento de los nutrientes. Esto puede ser especialmente importante a medida que el suelo se descongela en la primavera, creando un pulso de nutrientes que están disponibles.
Las tasas de descomposición son bajas en condiciones muy húmedas o muy secas. Las tasas de descomposición son más altas en condiciones húmedas y con niveles adecuados de oxígeno. Los suelos húmedos tienden a ser deficientes en oxígeno (esto es especialmente cierto en los humedales), lo que ralentiza el crecimiento microbiano. En suelos secos, la descomposición también se ralentiza, pero las bacterias continúan creciendo (aunque a un ritmo más lento) incluso después de que los suelos se vuelven demasiado secos para apoyar el crecimiento de las plantas.
el ciclo de Nutrientes
Los ecosistemas intercambian continuamente energía y carbono con el medio ambiente en general. Los nutrientes minerales, por otro lado, son en su mayoría cíclicos de ida y vuelta entre las plantas, los animales, los microbios y el suelo. La mayor parte del nitrógeno ingresa a los ecosistemas a través de la fijación biológica de nitrógeno, se deposita a través de la precipitación, el polvo, los gases o se aplica como fertilizante.
Dado que la mayoría de los ecosistemas terrestres están limitados en nitrógeno, el ciclo del nitrógeno es un control importante de la producción de los ecosistemas.
Hasta los tiempos modernos, la fijación de nitrógeno era la principal fuente de nitrógeno para los ecosistemas. Las bacterias fijadoras de nitrógeno viven simbióticamente con las plantas o viven libremente en el suelo. El costo energético es alto para las plantas que soportan simbiontes fijadores de nitrógeno, hasta el 25% de la producción primaria bruta cuando se mide en condiciones controladas. Muchos miembros de la familia de plantas de leguminosas apoyan simbiontes fijadores de nitrógeno. Algunas cianobacterias también son capaces de fijar nitrógeno. Estos son fotótrofos, que llevan a cabo la fotosíntesis. Al igual que otras bacterias fijadoras de nitrógeno, pueden vivir en libertad o tener relaciones simbióticas con las plantas. Otras fuentes de nitrógeno son la deposición ácida producida a través de la combustión de combustibles fósiles, el gas amoniaco que se evapora de campos agrícolas a los que se les han aplicado fertilizantes y el polvo. Los aportes antropogénicos de nitrógeno representan aproximadamente el 80% de todos los flujos de nitrógeno en los ecosistemas.
Cuando los tejidos de las plantas se eliminan o se comen, el nitrógeno en esos tejidos se vuelve disponible para los animales y los microbios. La descomposición microbiana libera compuestos de nitrógeno de la materia orgánica muerta en el suelo, donde las plantas, los hongos y las bacterias compiten por ella. Algunas bacterias del suelo utilizan compuestos orgánicos que contienen nitrógeno como fuente de carbono y liberan iones de amonio en el suelo. Este proceso se conoce como mineralización de nitrógeno. Otros convierten el amonio en iones nitrito y nitrato, un proceso conocido como nitrificación. El óxido nítrico y el óxido nitroso también se producen durante la nitrificación. En condiciones ricas en nitrógeno y pobres en oxígeno, los nitratos y nitritos se convierten en gas nitrógeno, un proceso conocido como desnitrificación.
Otros nutrientes importantes incluyen fósforo, azufre, calcio, potasio, magnesio y manganeso. El fósforo entra en los ecosistemas a través de la intemperie. A medida que los ecosistemas envejecen, este suministro disminuye, lo que hace que la limitación del fósforo sea más común en paisajes más antiguos (especialmente en los trópicos). El calcio y el azufre también se producen por la intemperie, pero la deposición ácida es una fuente importante de azufre en muchos ecosistemas. Aunque el magnesio y el manganeso se producen por la intemperie, los intercambios entre la materia orgánica del suelo y las células vivas representan una parte significativa de los flujos de ecosistemas. El potasio es principalmente un ciclo entre las células vivas y la materia orgánica del suelo.
Función y biodiversidad
La biodiversidad desempeña un papel importante en el funcionamiento de los ecosistemas. La razón de esto es que los procesos de los ecosistemas son impulsados por el número de especies en un ecosistema, la naturaleza exacta de cada especie individual y la abundancia relativa de organismos dentro de estas especies. Los procesos ecosistémicos son generalizaciones amplias que en realidad tienen lugar a través de las acciones de organismos individuales. La naturaleza de los organismos—las especies, los grupos funcionales y los niveles tróficos a los que pertenecen—dicta el tipo de acciones que estos individuos son capaces de llevar a cabo y la eficiencia relativa con la que lo hacen.
La teoría ecológica sugiere que para coexistir, las especies deben tener algún nivel de similitud limitante, deben ser diferentes entre sí de alguna manera fundamental, de lo contrario una especie excluiría competitivamente a la otra. A pesar de esto, el efecto acumulativo de especies adicionales en un ecosistema no es lineal: especies adicionales pueden mejorar la retención de nitrógeno, por ejemplo, pero más allá de cierto nivel de riqueza de especies, las especies adicionales pueden tener poco efecto aditivo.
La adición (o pérdida) de especies que son ecológicamente similares a las que ya están presentes en un ecosistema tiende a tener un efecto pequeño en la función del ecosistema. Las especies ecológicamente distintas, por otro lado, tienen un efecto mucho mayor. De manera similar, las especies dominantes tienen un gran efecto en la función del ecosistema, mientras que las especies raras tienden a tener un efecto pequeño. Las especies clave tienden a tener un efecto en la función del ecosistema que es desproporcionado a su abundancia en un ecosistema. De manera similar, un ingeniero de ecosistemas es cualquier organismo que crea, modifica significativamente, mantiene o destruye un hábitat.
Dinámica
los Ecosistemas son entidades dinámicas. Están sujetos a perturbaciones periódicas y están en proceso de recuperación de algunas perturbaciones pasadas. Cuando ocurre una perturbación, un ecosistema responde alejándose de su estado inicial. La tendencia de un ecosistema a permanecer cerca de su estado de equilibrio, a pesar de esa perturbación, se denomina resistencia. Por otro lado, la velocidad con la que vuelve a su estado inicial después de la perturbación se llama su resiliencia. El tiempo juega un papel en el desarrollo del suelo a partir de roca desnuda y en la recuperación de una comunidad de las perturbaciones.
De un año a otro, los ecosistemas experimentan variaciones en sus entornos bióticos y abióticos. Una sequía, un invierno más frío de lo habitual y un brote de plagas son factores de variabilidad a corto plazo en las condiciones ambientales. Las poblaciones de animales varían de un año a otro, se acumulan durante los períodos ricos en recursos y colapsan a medida que exceden su suministro de alimentos. Estos cambios se traducen en cambios en las tasas netas de descomposición de la producción primaria y en otros procesos ecosistémicos. Los cambios a largo plazo también dan forma a los procesos de los ecosistemas: los bosques del este de América del Norte todavía muestran legados de cultivo que cesaron hace 200 años, mientras que la producción de metano en los lagos de Siberia oriental está controlada por la materia orgánica que se acumuló durante el Pleistoceno.
La perturbación también juega un papel importante en los procesos ecológicos. F. Stuart Chapin y sus coautores definen la perturbación como»un evento relativamente discreto en el tiempo y el espacio que altera la estructura de las poblaciones, comunidades y ecosistemas y causa cambios en la disponibilidad de recursos o en el entorno físico». Esto puede variar desde caídas de árboles y brotes de insectos hasta huracanes e incendios forestales y erupciones volcánicas. Tales perturbaciones pueden causar grandes cambios en las poblaciones de plantas, animales y microbios, así como en el contenido de materia orgánica del suelo. La perturbación es seguida por la sucesión, un » cambio de dirección en la estructura y el funcionamiento del ecosistema como resultado de cambios impulsados biológicamente en el suministro de recursos.»
La frecuencia y gravedad de la perturbación determinan la forma en que afecta la función del ecosistema. Una perturbación importante, como una erupción volcánica o el avance y retroceso de los glaciares, deja atrás suelos que carecen de plantas, animales o materia orgánica. Los ecosistemas que experimentan tales perturbaciones experimentan una sucesión primaria. Una perturbación menos grave, como incendios forestales, huracanes o cultivos, resulta en una sucesión secundaria y una recuperación más rápida. Las alteraciones más graves y más frecuentes dan como resultado tiempos de recuperación más largos.
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