TEMA 5 (2016)

Apunte Español
Universidad Universidad de Valencia (UV)
Grado Ciencias Ambientales - 2º curso
Asignatura Ecologia
Año del apunte 2016
Páginas 15
Fecha de subida 02/05/2016
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TEMA 5. ENERGÍA Y NUTRIENTES.
 FUENTES DE ENERGÍA.
Los organismos se pueden clasificar en función de los niveles tróficos: - Autótrofos: aquellos organismos que utilizan recursos inorgánicos de carbono y energía.
o Fotosintéticos: aquellos organismos que utilizan CO2 como fuente de carbono, y radiación solar como fuente de energía.
o Quimiosintéticos: organismos que utilizan moléculas inorgánicas como fuente de carbono y energía.
- Heterótrofos: aquellos organismos que utilizan moléculas orgánicas como fuente de carbono y energía.
PROCARIOTAS PROTISTAS PLANTAS HONGOS ANIMALES HETERÓTROFOS SI SI SI SI SI FOTOSINTÉTICOS SI SI SI NO NO QUIMIOSINTÉTICOS SI NO NO NO NO Los procariotas es el grupo de organismos con más variedad de fuentes de energía. En los protistas nos encontramos gran número de especies heterótrofas y fotosintéticas. Las plantas son mayoritariamente fotosintéticas aunque también tienen un par de especias heterótrofas.
Las especias de hongos y animales son todas heterótrofas.
 LA RADIACIÓN COMO RECURSO.
La radiación solar es la única fuente de energía que las plantas verdes pueden utilizar para sus actividades metabólicas.
En este mapa global se representa la radiaciones absorbida por el sistema atmósfera-tierra, medida en J/cm2·min.
Las plantas fotosintéticas, son la base de la cadena alimenticia, y la cantidad de energía solar disponible para ellas es desigual en las distintas zonas del planeta.
 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO.
De toda la radiación que llega, solo una parte puede ser utilizada por los organismos. No todos los organismos absorben radiación a la misma longitud de onda.
Fragmento del espectro electromagnético.
En función a las distintas longitudes de onda a la que llega la radiación, podemos definir la radiación fotosintética activa (RFA) como la longitud de onda del espectro de radiación útil para la fotosíntesis, es decir, la radiación que las plantas pueden utilizar para obtener energía y coincide más o menos con la luz visible (380-710 nm).
 RADIACIÓN QUE ALCANZA LA SUPERFICIE TERRESTRE.
Gráfica de la energía solar que llega a la tierra, considerando que el sol está situado en un ángulo de 30º, antes y después de la disipación de energía acaecida en la atmósfera terrestre.
Como se observa en la gráfica, la mayor parte de la radiación UV queda retenida por la atmósfera.
 REFLEXIÓN Y ABSROCIÓN DE LA RADICACIÓN.
Esquema de la reflexión y absorción de la radiación fotosintéticamente activa en un bosque boreal.
Del 100% de la RFA que pueda llegar a la superficie del ecosistema, alrededor de un 10% es reflejada por la arboleda, mientras que un 79% es absorbida. Una pequeña parte de alrededor del 7% de la RFA es desviada hacia las capas intermedias del bosque. Un 2% es absorbida por las plantas más pequeñas y solo otro 2% de la RFA es capaz de llegar al suelo del bosque boreal.
Podemos aplicar este mismo esquema sobre la RFA a cualquier ecosistema vegetal, aunque pueden variar la cantidad de radiación que es absorbida o desviada, el ecosistema vegetal actuará de la misma forma y nos encontraremos al final con que solo una pequeña parte de la RFA que llega al superficie del ecosistema es capaz de llegar al suelo. La radiación y absorción dependerán del tipo de vegetación.
Denominados recursos a aquello que es consumido y por tanto útil para los organismos, como por ejemplo la energía. Por el contrario, denominamos condiciones a aquello que no es útil para los organismos y por tanto no es consumido por estos, como por ejemplo la temperatura.
Cuando los recursos disponibles no son suficientes para todos los organismos, re producen relaciones de competencia.
 LA RADICIÓN EN EL AGUA.
En gráfica se representa la distribución espectral de la energía solar sobre la superficie terrestre y después de haber penetrado en agua pura a distancias profundas.
 COEFICIENTE DE EXTINCIÓN DE LA LUZ.
El coeficiente de extinción de la luz es el coeficiente que define la absorción de 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, este coeficiente va a depender de lo que haya en el agua disuelto. En ambientes terrestres, el coeficiente de extinción está influido por el índice de área foliar (IAF), que es el área de las hojas que cubren una unidad de área de superficie terrestre.
 ÍNDICE DE ÁREA FOLIAR.
Como se ha mencionado anteriormente, el IAF es el área de las hojas que cubren una unidad de área de superficie terrestre, y se puede calcular de la siguiente forma: IAF = A partir de la superficie de suelo que abarca un vegetal, y conociendo la superficie foliar para cada capa a distintas alturas, podemos calcular la IAF para cada vegetal.
Cada capa de hojas contribuye al índice de área foliar.
 CURVAS DE RESPUESTA FOTOSINTÉTICA.
Todas las especies vegetales tienen un límite de absorción de la radiación, a este límite se le denomina punto de saturación.
En esta gráfica se ha representado la energía necesaria para una planta dada en función del nivel de luz y del carbono fijado para ese nivel de luz.
El punto de compensación nos indica la energía que se fija y que compensa los gastos de la planta.
La línea roja, representa la energía que necesita la planta para sobrevivir.
El punto de saturación indica que la velocidad de la fotosíntesis no es suficiente como para hacer frente a la intensidad luminosa.
 TIPOS DE FOTOSÍNTESIS.
FOTOSÍNTESIS C3: Se trata de una fotosíntesis muy poco eficiente, aunque utilizada por la mayoría de las plantas y algas. Se realiza en las células del mesófilo de las hojas.
Durante la fotosíntesis C3, la RuBP se combina con el CO2 para formar un ácido orgánico compuesto por tres carbonos. Para que el CO2 pueda ser utilizado por la RuBP, primero debe de entrar en las hojas y para ello se crea un gradiente para favorecer su entrada, pero este proceso es demasiado lento por lo que los estomas están mucho tiempo abiertos produciéndose una gran pérdida de agua.
Como producto final de la fotosíntesis se obtienen moléculas de azúcar, los cuales se pueden combinar para formar almidón.
FOTOSÍNTESIS C4: Es una fotosíntesis mucho más eficiente que la C3. Se produce en dos fases distintas que no coinciden en el mismo lugar. La primer parte se da en las células del mesófilo y la segunda en células de la túnica vascular de las hojas.
Al producirse una reducción de la concentración de CO2 en las células del mesófilo, se incrementa la difusión de este gas hacia el interior de la hoja. Una vez en el mesófilo, el CO2 se combina con el PEP formando ácidos orgánicos de cuatro carbonos.
Los ácidos orgánicos formados se difunden hacia las células especializadas de la túnica vascular, donde se “romperán” para dar lugar a piruvato y CO2, nuevamente. Ahora este CO2 reaccionará con la RuBP para formar moléculas de azúcar. Mientras tanto, el piruvato se difundirá de vuelta a las células del mesófilo donde formara la PEP, que iniciará el ciclo nuevamente.
Esta fotosíntesis es mucha más eficiente ya que el PEP es una enzima que tiene mucha afinidad por el CO2, por lo que el CO2 entra con mayor facilidad y las plantas C4 no necesitan tener mucho tiempo los estomas abiertos.
FOTOSÍNTESIS CAM: Esta fotosíntesis solo se da en plantas suculentas de ambientes áridos o semiáridos. Tiene una baja tasa fotosintética, pero una alta eficiencia en el uso del agua. La fotosíntesis CAM se produce en las células del mesófilo, pero esta diferenciada en dos etapas que se producen a diferentes horas del día.
Por la noche, cuando la temperatura es baja pero la humedad es alta, las plantas CAM abren los estomas y absorben CO2. El CO2 se combina con el PEP formando ácidos orgánicos de cuatro carbonos.
Por el día, los estomas están cerrados ya que las temperaturas aumentan y la humedad es baja. Los ácidos orgánicos formados durante la noche son “rotos” dando lugar CO2 y piruvato.
El CO2 se combina con la RuBP para formar moléculas de azúcar, mientras que el piruvato se transformara en PEP para unirse al CO2 que es captado por la noche volviendo a iniciar el ciclo.
 MACRONUTRIENTES.
Los macronutrientes son nutrientes esenciales que loa animales y las plantas necesitan en grandes cantidades.
Las plantas captan los nutrientes a través de las raíces. Las raíces son capaces de dirigir su crecimiento en función de los nutrientes disponibles en el suelo. Pero solo son capaces de captar nutrientes si hay agua en el medio.
NUTRIENTE Nitrógeno Fósforo Azufre Potasio Calcio Magnesio Hierro Sodio Cloro PRINCIPALES USOS Proteínas y ácidos nucleicos Ácidos nucleicos, fosfolípidos y huesos Proteínas Azúcares en plantas, síntesis de proteínas en animales Huesos, contracción muscular, paredes celulares en plantas Clorofila, sistemas de activación Hemoglobina y enzimas Balance osmótico, transmisión nerviosa Clorofila, balance osmótico Solo cinco elementos forman entre el 93-97% de la biomasa de plantas, animales, hongos y bacterias: carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y fósforo.
 MICRONUTRIENTES.
Los micronutrientes son aquellos nutrientes esenciales que se necesitan las plantas o los animales en muy pequeñas cantidades.
NUTRIENTE Manganeso Zinc Cobre Boro Molibdeno Aluminio Silicio Yodo Flúor PRINCIPALES USOS Clorofila, síntesis de ácidos grasos Producción de auxinas en pantas, sistemas enzimáticos Cloroplastos, activación de enzimas Plantas vasculares y algas Sistemas de activación enzimática Nutriente para os helechos Nutriente para las diatomeas Metabolismo tiroideo en animales superiores Formación de huesos y dientes  CAPTACIÓN DE NUTRIENTES POR LAS PLANTAS.
Que un elemento sea captado por la planta dependerá del gradiente de concentración entre el interior de la planta y el exterior.
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 a su capacidad de acceso a la planta.
La circulación de los nutrientes entre las plantas y el suelo se realiza de la siguiente forma: en primer lugar, los nutrientes minerales son absorbidos por la planta e incorporado al tejido vegetal. Más tarde, se produce un retorno de los nutrientes al suelo del bosque en forma de materia orgánica muerta. Esta materia orgánica sufrirá un proceso de descomposición por el cual se vuelve a transformar en nutrientes minerales.
 NECESIDADES DIFERENCIALES DE LAS DIFERENTES PARTES DE UNA PLANTA.
Todas las platas verdes necesitan la tonalidad de elementos esenciales, y que 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.
En la gráfica se muestra la concentración relativa de varios minerales en distintos tejidos del roble blanco Quercus alba. De esta forma, se demuestras que cada parte de una misma planta puede requerir proporciones especializadas de minerales, que además variarían en función de la actividad que desarrolle dicha parte.
 PLASTICIDAD EN EL CRECIMIENTO RADICULAR.
Conforme la raíz pasa a través de un suelo heterogéneo, responde ramificándose ampliamente en zonas con recursos abundantes (proceso de explotación), y muy escasamente en zonas donde hay pocos recursos (proceso de exploración).
Cada raicilla debe de tener la capacidad de reaccionar a una escala extremadamente local ante las condiciones que encuentra.
Las plantas, al absorber los nutrientes a través de las raíces, estas deben de ser capaces de reaccionar en su crecimiento a lo que se encuentra en el suelo. En la imagen se puede observar el sistema radicular desarrollad por una planta de trigo cultivada en un suelo arenoso que contiene una capa de arcilla.
 INTERACCIONES ENTRE LOS NUTRIENTES Y EL AGUA.
Considerando el agua y los minerales del suelo como recursos para las plantas, se observa que no solo existen similitudes importantes, sino que también se observan intensas interacciones entre ellos: 1. Las raíces no crecerán libremente hacia zonas del suelo carentes de agua disponible, y por ello los nutrientes de dichas zonas no serán explotados.
2. 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.
3. 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 contengan fosfato disponible, o que contengan más nitrógeno.
Además, es necesario que haya agua en el medio para que las plantas puedan captar los nutrientes.
 ZONAS DE PRIVACIÓN.
Las zonas de privación son aquellas zonas a las que las plantas pueden acceder para obtener nutrientes.
Movilidad de los nutrientes y zonas de privación.
Los nutrientes más móviles, como los nitratos que son muy solubles en agua, generan zonas de privación muy amplias, donde se da la posibilidad de que exista competencia.
Por el contrario, los nutrientes menos móviles, como los fosfatos, general zonas de privación reducidas.
Zonas de privación y arquitectura de las raíces.
Los nutrientes con zonas de privación amplias, provocan que las plantan desarrollen sistemas radiculares poco ramificados pero con un amplio alcance.
Por el contrario, los nutrientes con zonas de privación reducidas, provocan que los sistemas radiculares sean muy ramificados.
 ABUNDANCIA Y DISPONIBILIDAD DE NUTRIENTES.
Lo que hace que un nutriente pueda ser captado por la planta es el gradiente de concentración entre la planta y el exterior.
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.
1. Algunos nutrientes, como el nitrato el calcio o el sodio, pueden ser trasportados con una velocidad superior a la velocidad con la que son acumulados por la planta.
2. Otros nutrientes, como los fosfatos, están ligados a los coloides del suelo y/o tienen tasas de difusión bajas, por lo que a menudo serán insuficientes para cubrir las necesidades de la planta.
COEFICIENTE DE DIFUSIÓN DE ALGUNOS NUTRIENTES Nitrato 10-5 cm2/s Calcio, magnesio, potasio, amonio, potasio 10-7 cm2/s Fosfato 10-9 cm2/s  HERBÍVOROS.
Los animales, a diferencia de las plantas, captan a la vez nutrientes y energía.
Los herbívoros, al comer plantas con un alto contenido en carbono y bajo contenido en nitrógeno, sufren importantes problemas nutricionales.
Además, deben de evitar las defensas físicas (celulosa, lignina, sílice, etc.) y químicas (toxinas, compuestos que ralentizan la digestión, etc.) de las plantas.
Realizando una comparación entre las zonas tropicales y las zonas templadas, se observa que en las zonas tropicales hay una mayor proporción de especies que tienen tóxicos alcaloides.
Esto demuestra que las distintas defensas de las plantas varían a lo largo de todo el planeta.
 DETITRÍVOROS.
Los detritívoros son organismos que se alimentan de materia orgánica muerta. Estos organismos, presentan aun más problemas de deficiencia de nitrógeno que los herbívoros, ya que, por ejemplo, las hojas muertas pueden llegar a tener la mitad de nitrógeno que las hojas vivas. Además, los detritos frescos aun pueden contener grandes cantidades de defensas químicas.
 CARNÍVOROS.
Los carnívoros consumen presas nutricionalmente ricas. Consumen herbívoros con la proporción necesaria de nutrientes que necesitan. Si el aporte mineral de la dieta no es suficiente, pueden tomar el mineral directamente. También puede ocurrir que este déficit restrinja su área de distribución. Las presas se valen de diferentes tipos de defensa para evitar su depredación.
Se ha observado que el tamaño de los depredadores está estrechamente relacionado con la cantidad de presas que consumen.
En la gráfica se relaciona el peso de los pumas de regiones tropicales (pumas pequeños) y de regiones boreales (pumas grandes) con la cantidad de presas que consumen.
Cuanto mayor es el peso del puma mayor es el número de presas que consume.
 ESTRATEGIAS DE CAZA.
- Espera: el depredador espera camuflado el paso de la presa.
- Acecho: el depredador se acerca a la presa lentamente sin ser visto.
- Persecución, caza en grupo: grupo de caza formado por varios depredadores para cazar a presas más grandes que el depredador.
- Lucha: la presa pelea directamente para defenderse frente al depredador.
 DEFENSAS FRENTE A DEPREDADORES.
- Defensas físicas: como pelos endurecidos o corazas, que tienen la misión de disuadir a los depredadores.
- Defensas químicas: acumulación y secreción de sustancias tóxicas con el fin de disuadir a los depredadores.
- Cripsis: consiste en la adopción de colores y formas semejas al ambiente o a elementos no comestibles con el fin de pasar desapercibido frente a los depredadores.
- Aposematismo o coloración de advertencia: Es la adopción de colores brillantes y llamativos por parte de animales nocivos o peligrosos para servir de advertencia. Los colores llamativos están asociados a toxicidad.
- Mimetismo batesiano: consiste en la adopción de un esquema corporal vistoso, similar al de un animal nocivo o peligroso (modelo) por parte de animales comestibles y no peligrosos (mimetas).
- Mimetismo Mülleriano: es la adopción de un esquema de coloración parecido entre animales nocivos o peligrosos, lo que produce un reforzamiento del patrón de coloración.
 NUTRIENTES MINERALES Y CONSUMIDORES.
Los animales suelen obtener todos los nutrientes que necesitan en forma orgánica. Pero si el aporte de algún mineral de la dieta no es suficiente, pueden tomar el mineral directamente, o su área de distribución puede estar restringida por este déficit.
Relación entre la proporción de sodio en relación al calcio y al magnesio en la dieta y el uso de lamederos por el ciervo de cola blanca en Indiana.
El uso de lamederos es mayor cuando la relación es mayor.
Como se observa, en primavera la relación calcio-potasio es menor, por lo que el ciervo recurre a lamederos para compensar el déficit.
 RESPUESTAS FUNCIONALES.
Las respuestas funcionales son cambio en la tasa de la explotación de una especie de presa por parte de un depredador en relación con el cambio en la densidad de la presa.
Nos encontramos con tres tipos relaciones funcionales: 1. TIPO I.
La explotación es directamente proporcional a la densidad de las presas. Conforme aumenta la densidad de presas aumenta el consumo por parte de los depredadores, donde también se da un punto de saturación máxima en la densidad de presas debido a que los depredadores no tienen ninguna preferencia, cazarán aquellas presas que sean más abundantes.
Ejemplo: la Daphnia se dedica a filtrar el medio acuático en el que vive, cuanta más densidad de levadura Saccharomyces cerevisiae hay en el medio más filtrará.
2. TIPO II.
Los niveles de explotación disminuyen con la alta densidad de las presas, se produce un saciado de los depredadores. Cuando la densidad de presas es baja, el consumo es mayor del esperado para esa densidad. Esto indica una referencia hacia esa presa.
Ejemplo: las ninfas de ágridos se alimentan de Daphnia. Al consumir todas las Daphnias del medio en el que viven, comenzarán a alimentarse de otras presas.
3. TIPO III.
Como en el TIPO II, pero la explotación es adicionalmente baja con baja densidad de presas.
Inicialmente el consumo de presas es menor del esperado para esa densidad, pero más adelante se produce un umbral en el cual el consumo se dispara hasta alcanzar la saturación máxima. Esto indica que el depredador evita el consumo de presas con una baja densidad. Los posibles motivos de este comportamiento pueden ser: que las presas tengan un hábitat que no coincide con el del depredador ya que el ambiente no es homogéneo o que el depredador cree una imagen de búsqueda, detectando solo a presas con una mayor densidad e ignorando a aquellas de densidad insuficiente. El cambio de presa conlleva un cambio fisiológico, es decir, que solo se hace si hay suficiente densidad de la presa que se va a comenzar a cazar.
Ejemplo: las musarañas Sorex y Blarina y el ratón de patas blancas Peromycus, se alimentan de los capullos de la falsa oruga de pino, pero al detectar que el número de capullos disminuye demasiado dejan de alimentarse de ellos, hasta que su densidad vuelve a ser lo suficientemente alta.
 TEORÍA DEL APROVISIONAMIENTO ÓPTIMO.
La teoría del aprovisionamiento óptimo es 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.
Esta teoría intenta predecir la estrategia de búsqueda de alimento que cabe esperar en condiciones específicas.
 SUPOSICIONES BÁSICAS DE LA TEPRIA DEL APROVISIONAMIENTO ÓPTIMO.
1. 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.
2. Una eficacia biológica elevada se consigue mediante una tasa neta de ingestión de energía alta.
3. Los animales que se estudian son observados en un medio ambiente al que está ajustado su comportamiento de aprovisionamiento.
 MODELO DE DIETA ÓPTIMA.
El modelo de dieta óptima, pretende descubrir cuantos tipos de presas conforman la dieta de un individuo y cuál es el aprovechamiento que se obtiene de ella.
El problema que se plantea es que dado que un depredador incluye ya un cierto número de elementos productivos en su dieta, ¿debería ampliar su dieta, y con ello reducir su tiempo de búsqueda, aunque incluya elementos algo menos productivos? Considerando las variables: E = contenido energético medio de la dieta actual.
m = tiempo de manipulación medio de la dieta actual (desde que detecta a la presa hasta que la ingiere y puede buscar a la siguiente).
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.
Ante un encuentro con el elemento i:  Si atrapa a i, la tasa de ingestión energética será:  Si ignora a i y sigue buscando una presa más provechosa durante un tiempo b, la tasa de ingestión energética será: Por lo que la estrategia más provechosa, óptima, para un depredador será seguir a la presa i si, y solo si:  PREDICCIONES DEL MODELO DE DIETA ÓPTIMA.
1. Los depredadores cuyos tiempos de manipulación con típicamente breves en comparación con los tiempos de búsqueda, deberían ser generalistas.
2. Los depredadores cuyos tiempos de manipulación son largos en relación con sus tiempos de búsqueda, deberían ser especialistas.
3. Si los demás factores no varían, un depredador debería de tener una dieta más amplia en un ambiente no productivo que en un ambiente productivo.
4. Los depredadores debería de ignorar a los tipos de alimento insuficientemente provechosos independientemente de su abundancia (bi no aparece en la ecuación).
5. Los depredadores especialistas solo deberían incluir en la dieta aquellas presas en las que estén especializados.
 OTROS FACTORES QUE AFECTAN A LA ESTRATEGIA DE APROVISIONAMIENTO: LA DEPREDACIÓN COMO EJEMPLO.
La selección natural favorecerá a los animales que maximizan sus beneficios netos. Otros factores, además de la disponibilidad relativa de presas, afectarán a la estrategia de aprovisionamiento.
Cuando no hay depredadores, el pez, Lepomis macrochirus, se alimenta en zonas con poca vegetación, donde hay una mayor visibilidad y donde maximiza su tasa de alimentación.
Al introducirse un depredador, la perca americana de boca grande, el pez tiende a esconderse en zonas con más vegetación, donde hay una menor productividad pero mayor seguridad.
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