Tema 5 eco. Energía y nutrientes. (2016)

Apunte Español
Universidad Universidad de Valencia (UV)
Grado Ciencias Ambientales - 2º curso
Asignatura Ecologia
Año del apunte 2016
Páginas 9
Fecha de subida 28/03/2016
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Meritxell Maimi Checa TEMA 5 Energía y nutrientes Los organismos se pueden clasificar en diferentes niveles tróficos según la fuente de energía que utilizan: – Atótrofos: utilizan recursos inorgánicos de carbono y energía: – Fotosintéticos: utilizan CO2 como fuente de carbono, y radiación solar como fuente de energía.
– Quimiosintéticos: utilizan moléculas inorgánicas como fuente de carbono y energía.
– Heterótrofos: utilizan moléculas orgánicas como fuente de carbono y energía.
1. LA RADIACIÓN COMO RECURSO La radiación solar es la única fuente de energía que las plantas verdes pueden utilizar para sus actividades metabólicas.
La cantidad de energía disponible para las plantas fotosintéticas y, a lo largo de la cadena trófica, para todos los organismos, es mayor en los lugares donde llega mayor radiación.
Mapa global de la radiación absorbida por el sistema atmósfera – tierra (en J/min·cm2).
1.1. Efecto electromagnético De toda la radiación que llega a la superficie de la tierra, solo una parte es utilizable como fuente de energía para la fotosíntesis.
Radiación fotosintéticamente activa (RFA): longitudes de onda del espectro de radiación útiles para la fotosíntesis. Coincide más o menos con la luz visible (380 – 710 nm).
Meritxell Maimi Checa 1.2. Reflexión y absorción de la radiación De la radiación que alcanza a la superficie de la Tierra, con el sol situado en un ángulo de 30º, gran parte de la energía es disipada por la atmósfera.
Además, de toda la radiación que llega a un bosque (por ejemplo), gran parte de ella es reflejada. Además, no les llega la misma cantidad de radiación a todas las plantas, por lo que para medir el recurso disponible para las plantas se necesita una medida bastante detallada.
Reflexión y absorción de la radiación fotosintéticamente activa en un bosque de pinos y en un campo de maíz → 1.3. La radiación en el agua Distribución espectral de la energía solar sobre la superficie terrestre y después de haber penetrado en agua pura a distintas profundidades: No llega prácticamente nada de luz al fondo, la radiación es absorbida por los niveles superiores, las radiaciones de onda que llegan a penetrar más en el agua son aquellas de colores azules (de ahí el color del mar).
Lo importante es sabes cuánta luz tiene disponible un determinado organismo en el agua.
Esto se mide con el coeficiente de extinción de la luz (en ambientes marinos) o con el índice de área foliar (en ambientes terrestres).
Meritxell Maimi Checa 1.3.1. Coeficiente de extinción de la luz El coeficiente de extinción de la luz es un coeficiente que describe la amortiguación de la luz con la profundidad. Se mide como la razón logarítmica de la intensidad de luz a una profundidad dada con respecto a la intensidad en la superficie (del agua o de la vegetación).
En el agua, el coeficiente de extinción está influido por factores como la turbidez y la densidad de fitoplancton.
En ambientes terrestres, el coeficiente de extinción está influido por el índice de área foliar (AIF).
1.3.2. Índice de área foliar (AIF) El índice de área foliar es el área de las hojas que cubren una unidad de área de superficie terrestre.
2. CAPTACIÓN DE LA RADIACIÓN POR LAS PLANTAS 2.1. Curvas de respuesta fotosintética En un principio, es mejor cuanto más radiación, pero todas las especies tienen un límite a partir del cual, por mucho que aumente la radiación disponible, no la pueden aprovechar.
La tasa de fotosíntesis aumenta con la intensidad de luz hasta el punto de saturación.
– – Intensidad de compensación: intensidad a la que las plantas no pueden realizar suficiente fotosíntesis para compensar las pérdidas por respiración.
Intensidad de saturación: intensidad a la cual la velocidad de la fotosíntesis ya no responde a un incremento en la intensidad luminosa.
2.2. Tipos de fotosíntesis – Fotosíntesis C3: es la más utilizada y la más eficiente.
– Utilizada por la mayoría de plantas y algas.
– CO2 + ribulosa bifosfato (5 átomos de C) = ácido fosfoglicérico (3 átomos de C).
– Para fijar el C la planta debe abrir estomas para que entre el CO2, la cual cosa supone una pérdida de agua.
Meritxell Maimi Checa – – Fotosíntesis C4: poco eficaz y por tanto, poco competitivas.
– Reducción de las concentraciones internas de CO2, esto incrementa la difusión de CO2 hacia el interior de la hoja.
– Necesita abrir menos los estomas, lo que supone un ahorro de agua.
– Los ácidos formados al fijar el carbono difunden hacia células especializadas alrededor de la túnica vascular.
Fotosíntesis CAM (Metabolismo Ácido de las Crasuláceas): – Limitada a plantas suculentas de ambientes áridos o semiáridos.
– Bajas tasas de fotosíntesis, pero alta eficiencia en el uso del agua.
3. NUTRIENTES MINERALES 3.1. Macronutrientes Son nutrientes esenciales que los animales y plantas necesitan en grandes cantidades: NUTRIENTE PRINCIPALES USOS Nitrógeno (N) Proteínas y ácidos nucleicos.
Fósforo (P) Ácidos nucleicos, fosfolípidos y huesos.
Azufre (S) Proteínas.
Potasio (K) Azúcares en plantas, síntesis de proteínas en animales.
Calcio (Ca) Huesos, contracción musculas, paredes celulares en plantas.
Magnesio (Mg) Clorofila, sistemas de activación enzimática.
Hierro (Fe) Hemoglobina y enzimas.
Sodio (Na) Balance osmótico, transmisión nerviosa.
Cloro (Cl) Clorofila, balance osmótico.
Hay 5 elementos que forman entre el 93 y el 97% de la biomasa de plantas, animales, hongos y bacterias: carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y fósforo.
3.2. Micronutrientes Nutrientes esenciales que se necesitan en pequeñas cantidades por las plantas o los animales: NUTRIENTE PRINCIPALES USOS Manganeso (Mn) Clorofila, síntesis de ácidos grasos.
Zinc (Zn) Producción de auxinas en plantas, sistemas enzimáticos.
Cobre (Cu) Cloroplastos, activación de enzimas.
Boro (B) Plantas vasculares y algas.
Molibdeno (Mo) Sistemas de activación enzimática.
Aluminio (Al) Nutriente para los helechos.
Silicio (Si) Nutriente para las diatomeas.
Yodo (I) Metabolismo tiroideo en animales superiores.
Flúor (F) Formación de huesos y dientes.
Meritxell Maimi Checa 4. CAPTACIÓN DE NUTRIENTES POR LAS PLANTAS 3.1. Plantas Cada elemento penetra en la planta independientemente, como ión o como molécula, y cada uno tiene sus propiedades características de absorción del suelo y difusión, que afectan su capacidad de acceso a la planta.
Cada parte de la planta necesita una cantidad de nutrientes diferentes. No es lo mismo que la planta esté creciendo, que produciendo flores, frutos, etc. En función del momento de su ciclo vital necesitará un tipo distinto de nutriente.
Todas las plantas verdes necesitan la totalidad de los elementos “esenciales” (no tienen la oportunidad de especializarse en distintos recursos). Las diversas especies y, sobre todo, las distintas partes de una misma planta, utilizan los recursos minerales en distinta proporción.
3.1.1. Plasticidad en el crecimiento radicular Conforme la raíz pasa a través de un suelo heterogéneo, responde ramificándose ampliamente en zonas con recursos abundantes (explotación), y muy escasamente en zonas donde hay pocos recursos (exploración). Cada raíz debe tener la capacidad de reaccionar a una escala extremadamente local ante las condiciones que encuentra.
3.2. Interacciones entre los nutrientes y el agua Cada nutriente o compuesto puede tener mayor o menor movilidad. Los más fáciles para captar por parte de la planta son los nutrientes móviles, ya que se mueven con mayor rapidez ante el gradiente que se forma entre el medio y la planta.
Entre el agua y los minerales del suelo, como recursos para las plantas, no sólo existen similitudes importantes, también se observan intensas interacciones entre ellos: – Las raíces no crecerán libremente hacia zonas del suelo carentes de agua disponible, y por ello los nutrientes de dichas zonas serán explotados.
– Las plantas privadas de los minerales esenciales presentan un crecimiento menos intenso, y por ello es posible que no lleguen hasta los volúmenes de suelo que contienen agua disponible.
– Existen interacciones similares entre los recursos minerales. Una planta privada de nitrógeno desarrolla poco sus raíces y por ello no llegará a “buscar alimento” en zonas que contienen fosfato disponible, o que contienen más nitrógeno.
Meritxell Maimi Checa 3.3. Zonas de privación – Movilidad de los nutrientes y zonas de privación: los nutrientes más móviles (como los nitratos NO3 -, muy solubles en agua) generan zonas de privación amplias por la posibilidad de competencia.
Los nutrientes menos móviles (como los fosfatos) generan zonas de privación reducidas.
– Zonas de privación y arquitectura de las raíces: el crecimiento radicular también depende de la abundancia de los diferentes tipos de nutrientes que hay en el ambiente.
Los nutrientes con zonas de privación amplias son absorbidos por sistemas radiculares poco ramificados pero de amplio alcance.
Los nutrientes con zonas de privación reducidas son absorbidos por sistemas radiculares muy ramificados.
3.4. Abundancia y disponibilidad de nutrientes La solución que fluye a través de los poros del suelo hasta la superficie de las raíces tiene una composición mineral sesgada en comparación con lo que está potencialmente disponible. Esto es debido a que los diferentes iones minerales son retenidos en el suelo con fuerzas distintas.
– Algunos (como nitrato, calcio y sodio) pueden ser transportados con una velocidad superior a la que son acumulados por la planta.
– Otros (fosfato) están ligados a coloides del suelo y/o tienen tasas de difusión bajas, por lo que a menudo serán insuficientes para las necesidades de la planta.
Coeficientes de difusión de algunos nutrientes: – Nitrato: 10^-5 cm2/s.
– Calcio, magnesio, amonio, potasio: 10^-7 cm2/s.
– Fosfato: 10^-9 cm2/s.
4. CAPTACIÓN DE NUTRIENTES POR LOS ANIMALES 4.1. Herbívoros Sufren importantes problemas nutricionales por el bajo contenido en N de su alimento, debido a que al comer plantas con elevado contenido en carbono y poco nitrógeno tendrán deficiencias, y consumirán más biomasa para poder obtenerlo.
Además, deben evitar las defensas físicas (celulosa, lignina, sílice) y químicas (toxinas, compuestos que ralentizan la digestión) de las plantas.
Tienen microorganismos en su sistema digestivo que les ayudan a descomponer las defensas físicas como la celulosa.
4.2. Detritívoros Consumen comida rica en carbono y energía, pero pobre en nitrógeno (las hojas muertas pueden tener la mitad de nitrógeno que las vivas). Los detritos frescos pueden contener todavía una considerable cantidad de defensas químicas.
Meritxell Maimi Checa 4.3. Carnívoros Consumen presas nutricionalmente ricas. Si el aporte de algún mineral en la dieta no es suficiente, pueden tomar el mineral directamente, o su área de distribución puede estar resignada por este déficit.
Las presas tienen diferentes tipos de defensas en relación a su tamaño (los depredadores más grandes generalmente toman presas más grandes).
4.4. Estrategias de caza – – – – Espera: el depredador pasa un largo tiempo de espera hasta que tiene a su presa en las condiciones óptimas para atacarla. Es un ataque rápido.
Acecho: el depredador se acerca lentamente sin ser visto hasta el ataque final.
Persecución, caza en grupo: se crean grupos que cazan de determinada forma dentro de las poblaciones de depredadores. Persiguen y acorralan la/las presas.
Lucha.
4.5. Defensas – – – – – Físicas: pueden disuadir el ataque de los depredadores. (Ej: coraza en el armadillo, pelos endurecidos en el erizo).
Químicas: sustancias que pueden producir malestar o incluso la muerte al depredador. (Ej: acumulación de toxinas por la mariposa monarca a partir de la planta de la que se alimenta).
Cripsis: adopción de la coloración del ambiente, o de elementos no comestibles del ambiente.
Aposematismo o coloración de advertencia: adopción de colores brillantes y llamativos por parte de animales nocivos o peligrosos. (Ej: rana abrícola venenosa, milpiés).
Mimetismo batesiano: adopción de un esquema corporal vistoso, similar al de un animal nocivo o peligroso (“modelo”) por parte de animales comestibles y no peligrosos (“mimetas”). (Ej: la serpiente rey escarlata es la “mimeta” y la serpiente coral la “modelo”.
Serpiente coral (venenosa) – Serpiente rey escarlata (no venenosa) Mimetismo mülleriano: adopción de un esquema de coloración parecido entre animales nocivos o peligrosos. (Ej: mariposa monarca, mariposa virrey negra) Mariposa monarca Mariposa virrey negra Meritxell Maimi Checa 4.6. Nutrientes minerales y consumidores Los animales suelen obtener todos los nutrientes que necesitan en forma orgánica. Si el aporte de algún mineral en la dieta no es suficiente, pueden tomar el mineral directamente, o su área de distribución puede estar restringida por este déficit (complementan la dieta con minerales completos en determinadas épocas del año.
4.7. Respuestas funcionales Comportamiento del depredador depende de la densidad de presas. Las respuestas funcionales son los cambios en la tasa de explotación de una presa por parte de un depredador, respecto al cambio en la densidad de la presa.
Existen diferentes tipos de respuestas funcionales: – Tipo 1: la explotación es directamente proporcional a la densidad de las presas.
Conforme aumenta la densidad de presas, aumenta el consumo que realiza el depredador de ellas. Existe un punto de saturación en el cual el depredador no da a basto con tantas presas.
Ejemplo: daphnia, organismo filtrador, cuanta más densidad de microorganismos haya en el agua, más captura.
– Tipo 2: los niveles de explotación disminuyen con la alta densidad de las presas (saciado de los depredadores).
Cuando la presa está a unas densidades bajas, el consumo es mayor del esperado para la densidad que tiene.
Esto nos indica una preferencia de consumo de esa presa, ya que la sigue consumiendo aún habiendo menos.
– Tipo 3: como en el tipo 2, por la explotación es adicionalmentes baja con baja densidad de las presas.
Inicialmente el consumo es menor del esperado para la densidad de la presa (el animal evita el consumo de la presa a densidades bajas). Hay una concentración determinada en el cual se dispara el consumo de esa presa.
Explicaciones: – El depredador no atiende a una presa hasta que no se dispara su población, ya que de mientras tiene otra presa segura.
– Capacidad de buscar, el depredador al estar centrado en una presa, no atiende a las otras (imagen de búsqueda), hasta que estas lleguen a una densidad de población alta.
– Que la técnica de caza cambia. Se acostumbran a un método de caza, si hay muchas aves practican mas la caza en vuelo, en cambio la “pesca” no se les dará también en ese momento, por lo que evitan pescar.
Meritxell Maimi Checa 4.8. Teoría del aprovisionamiento óptimo Esta teoría intenta predecir la estrategia de búsqueda de alimento que cabe esperar en condiciones específicas. Son un conjunto de reglas, que incluyen la amplitud de la dieta, por las cuales los organismos aumentan al máximo la ingesta de alimentos por unidad de tiempo, o minimizan el tiempo necesario para cubrir sus requerimientos alimentarios. El riesgo de depredación también puede entrar en la ecuación de un aprovisionamiento óptimo.
4.8.1. Suposiciones básicas de la teoría del aprovisionamiento óptimo – La pauta de búsqueda de alimento que mostrarán los animales actuales, será aquella que ha sido favorecida por la selección natural en el pasado, siempre y cuando también sea la que resulte la más adecuada para maximizar la eficacia biológica del animal en el presente.
– Una eficacia biológica elevada se consigue mediante una tasa neta de ingestión de energía alta.
– Los animales que se estudian, son observados en un medio ambiente al que está ajustado su comportamiento de aprovisionamiento.
Los modelos sobre el aprovisionamiento óptimo asumen que cuanta más energía se consuma por unidad de tiempo, se alimentan mejor y tienen mayor y mejor descendencia.
El comportamiento de búsqueda se hereda.
4.9. Modelo de dieta óptima Planteamiento del problema: dado que un depredados incluye ya un cierto número de elementos productivos en su dieta, ¿debería ampliar su dieta (y con ello reducir su tiempo de búsqueda) incluyendo elementos algo menos productivos? Ante un encuentro del depredador con la presa denominada i: – Si atrapa a i: tasa de ingesión energética = Ei/mi.
– Si ignora a i y sigue buscando una presa más provechosa durante un tiempo b: tasa de ingestión energética = E/(b+m).
La estrategia más provechosa (óptima) para un depredador será seguir la presa si: E = contenido energético medio de la dieta actual.
m = tiempo de manipulación medio de la dieta actual.
b = tiempo medio de búsqueda para la dieta actual.
E/m = productividad media de la dieta actual.
i = nuevo elemento, algo menos productivo que E/m.
Ei/mi = productividad del elemento i.
Ei/mi ≥ E/(b+m) 4.9.1. Predicciones del modelo de dieta óptima – – – – – Los depredadores cuyos tiempos de manipulación son típicamente breves en comparación con los tiempos de búsqueda, deberían ser generalistas.
Los depredadores cuyos tiempos de manipulación son largos en relación con sus tiempos de búsqueda, deberían ser especialistas.
Si los demás factores no varían, un depredador debería tener una dieta más amplia en un ambiente productivo.
Los depredadores deberían ignorar a los tipos de alimento insuficientemente provechosos, independientemente de su abundancia (bi no aparece en la ecuación).
Los depredadores especialistas sólo deberían incluir en la dieta aquellas presas en las que estén especializados.
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