Introducción

La integración de los diversos grupos de organismos (plantas y animales) en interrelación con los factores bióticos y abióticos en un área determinada se denomina sistema ecológico o ecosistema.

Antes de analizar los componentes y el funcionamiento de los ecosistemas resulta conveniente explicar lo que se entiende por sistema.

Un sistema es un conjunto de elementos en interacción e interdependencia que forman un todo. Cada elemento tiene características como tamaño, composición, capacidad y otras. Son ejemplos de sistema el televisor y el automóvil, cuyas partes interaccionan para hacer que el sistema funcione como una unidad.

Se conocen dos principales tipos de sistemas:

Abiertos. Mantienen un permanente intercambio de materia y/o energía con su medio externo.

Cibernéticos. Se autorregulan mediante un mecanismo de retroalimentación.

Los sistemas abiertos tienen entradas que se procesan para producir salidas.    Un ejemplo es el televisor, que tiene una fuente de energía eléctrica que activa sus elementos internos para procesar la señal y producir salidas en formas de imagen y sonido (Figura 1.4).

Al modelo de sistema abierto se le considera como una caja negra porque los mecanismos de los procesos en el que se desarrollan no necesariamente son conocidos.

Los sistemas biológicos son sistemas abiertos porque tienen una fuente externa y una salida de materia y energía. Por ejemplo, la célula que obtiene los nutrientes de su medio circundante, los procesa a través de su metabolismo y elimina los desechos.

Figura 1.4. Esquema de un modelo de sistema abierto.

Los sistemas cibernéticos se caracterizan por disponer de cierto control de equilibrio (mecanismo homeostático) que se logra mediante la modificación constante de la fuente de entrada por la fuente de salida del sistema. Este mecanismo, que incorpora parte de la salida para modificar la nueva entrada del sistema, se llama retroalimentación o feed-back.

El punto de partida de estos sistemas es cuando están apagados. Un sencillo ejemplo es el calentador de agua para el baño, el cual por medio de un termostato, que funciona de manera automática, mantiene el agua en la temperatura deseada. Cuando el agua se enfría –descendiendo la temperatura por debajo del punto de partida- se abre el circuito que deja escapar al gas y activa el calentador, éste eleva la temperatura del agua hasta alcanzar el punto referido. El exceso de calor hace que se rebase el nivel de temperatura (el punto de partida) y se cierre el circuito, lo que desactiva el calentador y desciende la temperatura del agua para reiniciar el ciclo.

En este caso el calentador-termostato ha servido para mantener el equilibrio del sistema al corregir la temperatura del agua y generar una retroalimentación negativa. En cambio, cuando la retroalimentación exagera el error, es decir, que en vez de corregirlo –por ejemplo por el mal funcionamiento del termostato– se propiciara un mayor calentamiento  del agua, sería una retroalimentación positiva.

Un ejemplo biológico de este tipo de sistemas ocurre entre la población de conejos y zorros en estado silvestre (Figura 1.5): el aumento en la población de conejos hace que los zorros encuentren con facilidad su alimento, lo que incrementa su población, pero disminuye el número de conejos. Al no tener alimento, la población de zorros decrece y se reinicia el ciclo. El ecosistema se considera un sistema cibernético por su capacidad de autorregularse.

Figura 1.5. Ejemplo de un sistema cibernético.

El ecosistema es la unidad ecológica donde la comunidad de organismos interactúa con su medio físico. Se afirma que es la unidad básica en ecología, ya que el estudio de esta ciencia se basa en el conocimiento de la estructura y funcionamiento de los ecosistemas.

1.3.1. Propiedades del ecosistema

Cada ecosistema posee cierta homogeneidad en su clima, suelo, flora y fauna. Las diversas especies de organismos que integran la comunidad del ecosistema se encuentran adaptadas a su medio como consecuencia de su proceso evolutivo, ya que mediante la selección natural han sido favorecidos los poseedores de mayor capacidad de adaptación.

El ecosistema posee una estructura trófica bien definida a través de la cual circula la energía. De igual manera, presenta en forma permanente ciclos de materia (ciclos biogeoquímicos) que van del medio físico al biológico y viceversa.

El ecosistema es un todo y funciona como una unidad integrada por:

• Elementos abióticos o físicos que en su conjunto se les denomina biotopos. Constituidos por los aspectos fisicoquímicos inorgánicos que influyen en los seres vivos como luz solar, temperatura, agua, atmósfera, relieve sustrato geológico, sustancias químicas, pH, altitud y latitud.
• Elementos bióticos que integran la comunidad o biocenosis. Grupos de organismos que realizan diversas actividades en el ecosistema, dentro de los que se encuentran:

a)   La función de productor de los autótrofos como las plantas y microorganismos fotosintéticos, que tienen la capacidad de producir alimentos a partir del agua y bióxido de carbono, empleando la energía solar.

b)   La función de consumidor de los heterótrofos; los consumidores primarios, herbívoros o fitófagos que se alimentan de vegetales; consumidores secundarios, carnívoros primarios que se alimentan de los herbívoros; los consumidores terciarios, carnívoros secundarios que se alimentan de los carnívoros primarios.

c)    La función de desintegrador o reductor de los saprófagos como bacterias y hongos que actúan sobre los productos de desecho de los animales, los vegetales y los animales muertos para nutrirse, degradando las moléculas complejas del protoplasma y devolviéndolas al medio físico como sales biogénicas que pueden ser aprovechadas por las plantas.

A los consumidores se les considera como elementos no esenciales del ecosistema porque se cree que éste puede funcionar sin su presencia.

De tal suerte que la comunidad o biocenosis y su biotopo son dos subsistemas estrechamente ligados e interrelacionados que forman un sistema con cierto grado de estabilidad llamado ecosistema.

1.3.2. Flujo de materia

Los organismos requieren de 30 a 50 elementos químicos para sintetizar sus propias moléculas y así poder realizar todas sus funciones vitales. A los elementos utilizados en mayor proporción se les llama macroelementos o macronutrientes y son: carbono, hidrógeno, oxígeno, fósforo, nitrógeno y azufre, a los que se agregan otros que se requieren en menor cantidad pero son imprescindibles, como calcio, hierro, potasio, sodio, magnesio y otros, llamados microelementos o micronutrientes.

Distingue a la transferencia de materia en los ecosistemas la ruta cíclica que siguen sus elementos, que son transportados de su pozo depósito del medio físico (suelo, aire o agua) al medio biótico (organismos vivos) y devueltos al medio físico en continuas etapas características.

A diferencia de la energía que su trayectoria es abierta, el ciclo de la materia en los ecosistemas es cerrado, ya que los elementos son reciclados en los dos medios: abiótico y biótico.

1.3.2.1 Ciclos biogeoquímicos

Se llaman ciclos biogeoquímicos las rutas más o menos circulares que describen los elementos químicos al ser transportados del medio físico a los organismos vivos y de éstos su retorno al medio físico. Bio se deriva de los seres vivos que participan y geo, por el suelo, aire y agua de la tierra involucrados en el ciclo.

Los ciclos biogeoquímicos pueden ser de índole gaseosos, sedimentarios e hidrológicos.

• Los ciclos gaseosos. El pozo depósito de sus nutrientes es la atmósfera (del griego atmos, vapor, aire; sphaera, esfera); casi o hay pérdida del elemento nutriente y su circulación se realiza con cierta rapidez. Son ciclos de nutrientes gaseosos: el del carbono, del oxígeno y del nitrógeno.
• Los ciclos sedimentarios. Tienen como pozo de depósito de los nutrientes las rocas sedimentarias y su circulación es más lenta, ya que los elementos primero deben incorporarse al suelo; para ellos es necesario que las rocas que los contienen se desintegren por intemperización, con el riesgo de que sean acarreados por efectos de erosión al fondo marino, donde se depositan como sedimento, sin la posibilidad de circular al medio biótico a menos que se presente un levantamiento tectónico y así los estratos que contienen este material retornen al medio terrestre. Esto hace que los elementos gaseosos sean más asequibles que los sedimentarios. Corresponden al ciclo sedimentario: el del fósforo y del azufre.
• Ciclo hidrológico. El agua circula de los mares y océanos a la atmósfera, después a la litosfera y los océanos para llegar a los organismos.

1.3.2.2 Ciclos gaseosos

Estos ciclos también se denominan atmosféricos por ser la atmósfera el pozo depósito de este tipo de nutrientes. A continuación se describen los ciclos del carbono, oxígeno y nitrógeno, como ejemplos de los ciclos atmosféricos o gaseosos.

Ciclo de carbono

Los compuestos organismos (carbohidratos, lípidos, proteínas) se caracterizan por contener carbono en sus moléculas. El carbono se encuentra formando parte de la atmosfera como bióxido de carbono (CO2) en la proporción de 0.03 a 0.04 por ciento.

Los organismos desechan este gas como producto final de la respiración.

Los autótrofos fotosintéticos aprovechan el CO2 para producir compuestos orgánicos durante la fotosíntesis. Los animales al alimentarse del vegetal incorporan este material a sus tejidos. Durante el proceso respiratorio las moléculas de carbohidratos se degradan a escalar celular, se produce energía y se libera el CO2, el cual de esta manera es devuelto a la atmósfera. La orina y las materias fecales de los animales también contienen carbono; los microorganismos desintegradores actúan sobre los productos de desecho, así como en la planta y en el animal muerto; de ellos obtienen alimento y devuelven el CO2 al medio físico (Figura 1.6).

Otra forma como se restituye el CO2 al medio atmosférico es mediante la combustión de diversos energéticos.

Figura 1.6. Ciclo del carbono en la biosfera.

Ciclo del oxígeno

El oxígeno participa con 21% en la composición de la atmósfera, de donde lo toman los organismos aeróbicos del medio terrestre para respirar, y los acuáticos lo obtienen de los gases disueltos en el agua.

El oxígeno molecular que se libera a la atmósfera y al agua procede de la disociación de la molécula del agua durante la fotosíntesis, en la que se deja escapar el oxígeno al ambiente como producto secundario.

La fotosíntesis es el proceso por el cual las células vegetales producen carbohidratos a partir de agua y bióxido de carbono con la participación de la radiación luminosa del sol.

La fórmula general de la fotosíntesis es:

6CO2            +        6H2O            energía           C6H12O6      +            6O2

Bióxido de        Agua            Clorofila                Glucosa                 oxígeno

Carbono

Los carbohidratos como la glucosa y otros compuestos orgánicos producto de la fotosíntesis contienen oxígeno. Los heterótrofos, como los animales herbívoros, al alimentarse ya sea en forma directa o indirecta de la planta asimilan el oxígeno.

Durante la respiración aerobia el oxígeno de la atmósfera es aprovechado por los organismos para oxidar gradualmente los compuestos orgánicos, con la obtención de la energía que la célula requiere y la producción de bióxido de carbono y agua, que contienen oxígeno, y son desechados al medio físico.

La fórmula general de la respiración aerobia es

C6H12O6        +        6CO2       6CO2    +        6H2O     +   ATP

De esta forma el oxígeno se restituye al medio físico incorporado en la molécula del agua (H2O) y del bióxido de carbono (CO2)  que los organismos eliminan como consecuencia de su proceso respiratorio.

Ciclo de nitrógeno

El nitrógeno se encuentra en la atmósfera aproximadamente en una proporción de 79%. Es un elemento de suma importancia para todos los organismos, ya que participa en la composición de proteínas y ácidos nucleicos. A pesar de que es el gas más abundante en la atmósfera, la mayoría de los organismos no lo aprovechan como nitrógeno gaseoso, sino cuando ya ha sido convertido en nitrato o en proteínas.

A través de su ciclo, el nitrógeno se transporta entre el medio físico y el biótico. En este ciclo se han identificado cuatro procesos fundamentales (Figura 1.7):

• Fijación del nitrógeno. Por este proceso, las bacterias y cianobacterias combinan el nitrógeno con el hidrógeno y lo convierten en amoniaco (NH3). Algunas de esas bacterias viven en el agua o en el suelo, otras como las del genero Rhizobium se alojan en los nódulos (pequeños abultamientos) que tienen las raíces de las leguminosas, como el frijol y el chícharo.
• Amonificación. En este proceso las bacterias actúan sobre los desechos nitrogenados de los animales y sobre los restos de organismos muertos, degradando los aminoácidos y liberando el gas amoniaco (NH3).
• Nitrificación. En este proceso el amoniaco se convierte primero en moléculas de nitrito simple (NO2) por acción de las bacterias del nitrito, que después pueden convertirse en nitratos (NO3) cuando las bacterias del nitrato le agregan otro átomo de oxígeno. Los nitratos pueden ser aprovechados por los vegetales para la producción de aminoácidos.

Desnitrificación. Por acción de algunas bacterias anaerobias desnitrificantes el nitrato se convierte en nitrógeno y regresa a la atmósfera.

Figura 1.7. Ciclo del nitrógeno en la biosfera.

1.3.2.3 Ciclos sedimentarios

Son llamados también ciclos imperfectos, ya que con la incorporación de sus elementos a las rocas sedimentarias retarda su circulación en la biosfera. Entre estos ciclos se analizan el del azufre y del fósforo.

Ciclo del azufre

El azufre del suelo procede de la desintegración de las rocas que forman el material parental y de la degradación de la materia orgánica por acción de microorganismos desintegradores.

Los vegetales absorben a través de sus raíces el azufre en forma de sulfato (SO4) y lo emplean para la producción de ciertos aminoácidos (cistina, cisteína, metionina). El animal al alimentarse del vegetal incorpora a sus células ese elemento que participa en la composición de algunas de sus proteínas. En los desechos que los animales excretan o en plantas y animales muertos por acción de los microorganismos desintegradores, se restituye este material al suelo cuando se trata de organismos terrestres o al agua en caso de ser del medio acuático.

Otra de las fuentes de este elemento son los compuestos de azufre que se originan de las actividades humanas como en las industrias donde se emplean combustibles fósiles y ya incorporados en la atmósfera sufren una serie de reacciones fotoquímicas hasta convertirse en ácido sulfúrico (H2SO4),  componente de la lluvia ácida de las zonas urbanas e industriales.

Ciclo del fósforo

El fósforo participa en la composición del ADN, ARN y ATP. Las dos primeras moléculas almacenan y transmiten la información genética y la tercera es la portadora de la energía empleada en el metabolismo celular. El fósforo también es integrante de la estructura de los huesos, de allí la importancia del ciclo de este elemento para todas las células.

El ciclo del fósforo se inicia con el fosfato disuelto, que procede de su depósito principal que son las rocas fosfatadas, de los depósitos de guano (excremento de aves marinas) y de huesos fósiles.

El fosfato disuelto es absorbido por las plantas a través de sus raíces e incorporado al tejido vegetal. Los animales, al alimentarse de los vegetales, obtienen el fósforo.

A través de las sustancias que excretan los animales o por degradación de la materia orgánica muerta, se devuelve el fosfato a la litosfera (del griego lihos, piedra; spharia, esfera); sin embargo, una gran cantidad de fosfato es acarreada por el agua a los sedimentos marinos profundos.

Si los fosfatos llegan a los sedimentos poco profundos, se devuelven a la tierra a través de los excrementos de las aves marinas que se alimentan de los peces que obtienen este elemento en su cadena de alimentación (Figura 1.8).

Pero si los compuestos fosfatados llegan a los sedimentos marinos profundos, éstos no retornan a los depósitos terrestres, salvo por procesos geológicos que se efectúan a través de millones de años.

Figura 1.8. Ciclo del fósforo en la atmósfera.

1.3.3. Ciclo hidrológico

Se define el ciclo hidrológico como la sucesión de etapas que describe el agua en su trayectoria de los océanos a la atmósfera, después a la tierra y su retorno a los océanos, lo que propicia un equilibrio de este líquido en la biosfera. En el ciclo hidrológico son identificados los siguientes procesos (Figura 1.9):

• Evaporación y transpiración. El agua de los ríos, lagos, mares y océanos se evapora por efectos de calentamiento por la energía solar y junto con el vapor de agua que los vegetales desechan por transpiración asciende a la atmósfera.
• Condensación. El vapor de agua es transportado por la atmósfera y al enfriarse se condensa en gotas de agua que forman nubes o niebla.
• Precipitación. Las gotas de agua al aumentar de volumen y peso se precipitan a la tierra y a los océanos en formar de lluvia, nieve o granizo. De la tierra el agua puede evaporar y retornar de inmediato a la atmósfera, lo que se llama evaporación simultánea.
• Escurrimiento. Consiste en el movimiento del agua que fluye a través de ríos y arroyos a los estuarios; son las zonas de transición entre el agua dulce y el agua salada del mar. Estas corrientes superficiales originan una considerable erosión del suelo, transportando este material a los sedimentos marinos.

Infiltración. Cuando la lluvia cae en un suelo protegido por la vegetación propicia la penetración o infiltración del agua en el suelo; ésta puede ser absorbida por la raíz de las plantas o incorporarse a los depósitos de agua subterránea y formar corrientes subterráneas. Al reaparecer a la superficie estas corrientes originan los manantiales y van a dar a los lagos, mares y océanos donde se vuelve a presentar la evaporación.

Figura 1.9. El ciclo hidrológico.

1.3.3.1 Anomalías en los procesos del ciclo hidrológico

El ciclo hidrológico ha sufrido alteraciones especialmente por la actividad humana. Las más comunes son las siguientes:

• Construcción de presas. Han cancelado las corrientes de los arroyos y ríos para retener sus aguas, así como el bombeo de aguas subterráneas, lo que ha propiciado la disminución del volumen de agua freática (aguas acumuladas en el subsuelo).
• Deforestaciones. En muchos casos para convertir zonas boscosas en campos de cultivo. Esta conversión ha facilitado la formación de corrientes superficiales, disminuyéndose la infiltración que alimenta los depósitos y las corrientes subterráneas, lo cual representa un grave peligro por las inundaciones en periodos de lluvia, Independientemente de que las corrientes superficiales representan un importante factor de la erosión del suelo.
• Contaminación del agua. Otra alteración del ciclo hidrológico ha sido por la contaminación del agua de los ríos y los lagos, en cuyas vertientes se descarga todo tipo de contaminantes que proceden de las zonas urbanas e industriales. A veces el agua se sobresatura de contaminantes y se convierte en un medio abiótico e inapropiado para todo uso.