miércoles, 5 de marzo de 2014

Biosfera: dinámica de los ecosistemas y riesgos

3.- Para comprender mejor las relaciones alimentarias entre los organismos de un ecosistema es necesario conocer algunos parámetros tróficos como la biomasa, producción, productividad y el tiempo de renovación. En relación con la producción responda:
-   ¿Qué representan la producción primaria bruta y la producción primaria neta en un ecosistema?
SOL. La PPB representa la materia orgánica total sintetizada por los organismos del nivel trófico de los productores en un ecosistema, por unidad de superficie o volumen y por unidad de tiempo.

La PPN es la materia orgánica que queda en el nivel de los productores después de descontar la que se consume en el proceso de respiración celular.

-   ¿De qué factores depende la producción primaria en un ecosistema?
SOL. La producción primaria depende del grado de fijación de la energía solar mediante el proceso fotosintético. Por eso cualquier factor que afecte a dicho proceso actuará como factor limitante de la producción primaria. Estos factores son: la luz, el agua, la cantidad de nutrientes (nitrógeno, fósforo…), la temperatura y la concentración de CO2 y O2.

3.- Defina los siguientes conceptos que hacen referencia a las relaciones tróficas en los ecosistemas: consumidores primarios, consumidores secundarios, omnívoros y descomponedores. ¿Por qué son importantes los descomponedores en los ecosistemas, y qué pasaría si no existieran?
SOL. Dentro de los niveles tróficos, los consumidores son seres heterótrofos que se alimentan de otros seres vivos. Los que se alimentan de vegetales exclusivamente (herbívoros), son los consumidores primarios. Los que se alimentan de otros animales (carnívoros o depredadores en sentido amplio), son los consumidores secundarios.
Por otro lado, los omnívoros son animales que se alimentan tanto de tejidos animales como vegetales.

Los descomponedores constituyen un grupo muy heterogéneo de consumidores (bacterias, hongos…) que digieren la materia orgánica muerta y liberan materia inorgánica al suelo, es decir, nutrientes y agua, los cuales serán tomados por los productores.
El papel de los descomponedores es muy importante ya que completan el ciclo de la materia en los ecosistemas al transformar en materia inorgánica la materia descompuesta. Por ejemplo, los nitratos o amoníaco, fosfatos y sulfatos son convertidos en nitrógeno, fósforo y azufre orgánicos, respectivamente.

Sin los descomponedores la Tierra estaría cubierta de restos vegetales y animales muertos y la vida no podría seguir existiendo.



3.- En una investigación sobre distintos ecosistemas terrestres se han obtenido los siguientes datos:
Bosque:
Biomasa autótrofos = 14 kg de C/m2
Producción primaria bruta = 5 g de C/m2 día
Respiración total = 4,5 g de C/m2 día

Pradera:
Biomasa autótrofos = 2,9 kg de C/m2
Producción primaria bruta = 4 g de C/m2 día
Respiración total = 2,5 g de C/m2 día

a) Calcule las producciones netas de ambos ecosistemas.
SOL. La producción neta es el resultado de restar de la producción bruta la respiración.
Pn del bosque: 5 - 4.5 = 0.5  g de C/m2 día
Pn de la pradera: 4 – 2.5 = 1.5 g de C/m2 día

b) Defina el término “producción primaria bruta” de un ecosistema.
SOL. La PPB representa la materia orgánica total sintetizada por los organismos del nivel trófico de los productores en un ecosistema, por unidad de superficie o volumen y por unidad de tiempo.

c) Indique qué ecosistema presenta mayor productividad.
SOL. Teniendo en cuenta que la productividad se define como el cociente entre la producción neta y la biomasa, el ecosistema más productivo es la pradera.
P del bosque: 0.5 / 14000 = 3.57 x 10-5
P de la pradera: 1.5 / 2900 = 5.17 x 10-4

3.- En un ecosistema se han calculado mediante un estudio experimental los parámetros tróficos reflejados en la siguiente tabla:


a.- ¿A partir de qué parámetros se calcula la producción neta? (2 puntos).
SOL. La producción neta es la diferencia entre la producción bruta y el gasto respiratorio.

b.- Calcule los valores de productividad y de tiempo de renovación de cada nivel trófico (3 puntos).
SOL. Teniendo en cuenta que la productividad se define como el cociente entre la producción neta y la biomasa:
P de los productores: 1500 / 70000 = 0.021
P de los herbívoros: 50 / 7000 = 0.007
P de los carnívoros I: 1 / 500 = 0.002
P de los carnívoros II: 0.02 / 50 = 0.0004

Por otro lado, el tiempo de renovación se calcula como el cociente entre la biomasa y la producción neta:
T de los productores: 70000 / 1500 = 46.7 días
T de los herbívoros: 7000 / 50 = 140 días
T de los carnívoros I: 500 / 1 = 500 días
T de los carnívoros II: 50 / 0.02 = 2500 días

c.- ¿Qué ocurre con los valores de la productividad y el tiempo de renovación a lo largo de la cadena trófica? (2 puntos).
SOL. La productividad disminuye al ascender de nivel trófico y el tiempo de renovación aumenta con cada nivel.

d.- ¿Por qué el número de eslabones o niveles tróficos es tan limitado? (3 puntos).
SOL. El número de niveles tróficos es tan limitado porque de cada nivel sólo una pequeña parte de la energía (un 10%) está disponible y pasa al siguiente nivel. A partir de la producción neta del nivel de los carnívoros II (0.02) sería muy difícil la existencia de un quinto nivel.

3.- Responda razonadamente a las siguientes cuestiones que hacen referencia a la figura adjunta:


a.- ¿Cómo se denominan este tipo de gráficas? ¿Cómo se designa la representada aquí? (2 puntos)
SOL. La masa de todos los organismos que constituyen la biocenosis se denomina biomasa total. Ésta se puede representar gráficamente dividida en los niveles tróficos y mediante superficies o volúmenes proporcionales a la biomasa de cada nivel.
Así, estas representaciones se conocen como pirámides ecológicas o tróficas.

La pirámide representada es una pirámide de energía, es decir, hace referencia a la energía almacenada en cada nivel, expresada en kcal/m3año. Cumple la ley del 10% y tienen forma de auténticas pirámides.

b.- ¿Qué nombre reciben los compartimentos que aparecen en la figura? (1 punto)
SOL. Niveles tróficos.

c.- ¿Por qué hay una fuerte disminución de las kilocalorías/m2/año de cada compartimento a medida que están más cercanos a la cúspide? (4 puntos)
SOL. La cantidad de energía que fluye en un determinado nivel trófico disminuye al pasar a un nivel trófico superior. Esto se debe a que no toda la energía se utiliza en la producción, gran parte se gasta en la respiración.
De manera aproximada se acepta que la energía que fluye por un nivel trófico determinado viene a ser la décima parte de la que fluye por el nivel precedente.

d.- ¿Qué otras variables ecológicas se suelen representar en gráficos de este tipo? Indica una característica que pueden tener estos gráficos y que no posee la que aparece representada. (3 puntos) SOL.
-   Pirámides de biomasa: referidas a la cantidad de materia orgánica acumulada en cada nivel. Suelen tener también la forma de pirámide pero con diferencias más acusadas en cada nivel.
-   Pirámides de números: referidas al número de individuos de cada nivel. Frecuentemente presentan formas de pirámides invertidas o formas irregulares; no son indicativas respecto al trasiego de materia y energía que caracteriza a un ecosistema.



3.- ¿Qué es la depredación? ¿Por qué la mayoría de los depredadores tienen un amplio espectro alimentario? Razone la contestación.
SOL. Es una relación interespecífica en la cual un  organismo vivo sirve de alimento a otro. Luego una población (predadora) se beneficia alimentándose de otra (presa) que se ve afectada adversamente.
Desempeña un papel  muy importante en las comunidades ya que controla la evolución de ambas poblaciones. En la predadora se verán favorecidos aquellos individuos que presentan una mayor eficiencia en su aprovisionamiento, bien en la captura o en el proceso digestivo. En la presa se verán favorecidos aquellos que puedan huir más fácilmente de la captura.

En cuanto al amplio espectro alimenticio, es una forma de que los predadores aseguren su sustento, sin correr el riesgo de perecer de inanición cuando les falte una de sus presas, evitando además la sobreexplotación de una de ellas.

2.- En relación con la dinámica de la biosfera responda a las siguientes cuestiones:
a) Explique el flujo de energía a través del ecosistema. ¿En qué se diferencia del flujo de la materia? (6 puntos).
SOL. La energía luminosa captada por los organismos fotosintéticos es transformada en energía química. Ésta fluye por los ecosistemas en una sola dirección, pasando por los diferentes niveles tróficos hasta llegar a los descomponedores.
El flujo de energía es unidireccional: parte de la energía que llega a un nivel se consume en el proceso respiratorio para mantener los procesos vitales y se pierde finalmente en forma de calor. Otra parte es expulsada como residuos al no ser asimilada y otra parte se utiliza para formar tejidos, es decir, se almacena en la estructura de los organismos. Esta última es la que podrá ser utilizada por los organismos del siguiente nivel trófico. Normalmente un nivel trófico sólo utiliza el 10% de la energía que ha pasado por el nivel trófico anterior.


Al contrario que en ciclo de la energía, en el ciclo de la materia el flujo es cíclico: la materia se recicla y vuelve a ser utilizada a su paso por las diferentes etapas. Es decir, se parte de un tipo de materia y se llega a la misma al final de los procesos de alimentación.



b) ¿De qué factores depende la producción primaria en un ecosistema? (4 puntos).
La producción primaria depende del grado de fijación de la energía solar mediante el proceso fotosintético. Por eso cualquier factor que afecte a dicho proceso actuará como factor limitante de la producción primaria. Estos factores son: la luz, el agua, la cantidad de nutrientes (nitrógeno, fósforo…), la temperatura y la concentración de CO2 y O2.

4.- Observe el siguiente diagrama que representa el flujo de energía a lo largo de una cadena trófica, y en el que las cifras indican kilocalorías/m2 año.



Responda razonadamente a las siguientes cuestiones:
a)     ¿Qué ocurre con la energía en su paso a lo largo de la cadena trófica?
SOL. De la energía que fluye a través de la cadena trófica, una parte importante se pierde en la respiración, de forma que la energía que pasa de un nivel a otro es aproximadamente de un 10% de la energía acumulada en el nivel anterior (regla del 10%).

b)     ¿Qué valores tienen la producción primaria neta, la producción neta de los herbívoros, la producción neta de los carnívoros y el gasto energético total debido a la respiración?
SOL. La producción neta es el resultado de restar de la producción bruta la respiración.
Pn de los vegetales: 110 - 24 = 86 kcal/m2 año
Pn de los herbívoros: 12 - 6 = 6 kcal/m2 año
Pn de los carnívoros: 2 – 1.2 = 0.8 kcal/m2 año
Gasto respiratorio total: 24 + 6 + 1.2 = 31.2 kcal/m2 año

c)     Teniendo en cuenta los valores de la producción neta total y del gasto respiratorio total, indique si el ecosistema al que pertenece la cadena trófica dibujada ha alcanzado su madurez, o si todavía se encuentra en fase de desarrollo.
SOL. La madurez se puede deducir restando los valores que alcanza la producción neta total (86+6+0.8=92.8 kcal/m2 año) del gasto respiratorio total (31.2 kcal/m2 año).
Como la producción neta supera el gasto respiratorio se puede afirmar que el ecosistema está en fase de desarrollo y aún no ha alcanzado la madurez.

d)     ¿Qué sucede en una cadena trófica con cualquier sustancia que no interviene en la respiración y que se almacena en el tejido corporal sin excretarse?
SOL. Esta sustancia atravesará la cadena trófica aumentando su concentración en los tejidos a medida que alcanza niveles tróficos superiores.

2.- La figura muestra la concentración en partes por millón (ppm) del contaminante policlorobifenilo (PCB) en cada nivel de una cadena trófica en los grandes lagos americanos.


a.- Establezca la cadena trófica correspondiente con las especies del esquema (2 puntos).
SOL. La cadena trófica sería la siguiente:
Fitoplancton -- Zooplancton -- Eperlano -- Trucha -- Gaviota

b.- Explique por qué los PCBs se acumulan en la cadena trófica, y cuál es la causa por la que los niveles más altos de este compuesto se alcanzan en los huevos de la gaviota, tal como muestra la figura (8 puntos).
SOL. Los PCB se acumulan en la cadena trófica porque son sustancias con características químicas de estabilidad y difícil degradabilidad, por lo que son contaminantes orgánicos persistentes en el ambiente, con gran probabilidad de que antes de degradarse, sean ingeridos por los seres vivos.
Además experimentan un proceso de bioacumulación (concentración más elevada en los organismos que en el ambiente o en el alimento) o almacenamiento en los tejidos de los organismos (son solubles en la grasas) ya que no los eliminan por procesos metabólicos.

En relación con el ejemplo que se presenta en la cadena trófica, las cantidades de PCB acumuladas por el fitoplancton son concentradas en los cuerpos de los animales que los consumen. Así, los PCB se van concentrando sucesivamente en cada eslabón de la cadena trófica.
Este proceso de incremento de la concentración a través de la cadena trófica se denomina biomagnificación o bioamplificación. Los huevos de aves, en este caso de la gaviota, tienen a menudo concentraciones más altas de tóxicos porque están al final de la larga cadena de alimentación acuática y porque la yema de los huevos es rica en materia grasa.

3.- Responda a las siguientes cuestiones en relación con el ciclo del carbono:
a) ¿Qué procesos del ciclo del carbono retiran CO2 de la atmósfera y cuáles lo liberan? (5 puntos).
SOL. Los principales procesos que retiran CO2 de la atmósfera son la fotosíntesis, que forma parte del ciclo biológico, y la disolución de CO2 en el agua (equilibrio agua-atmósfera).

En cuanto a los procesos que liberan CO2 a la atmósfera podemos destacar la respiración de los seres vivos y la descomposición de la materia orgánica muerta. También retorna a la atmósfera por las erupciones volcánicas, debido a la fusión parcial de las rocas carbonatadas y mediante la combustión de la materia orgánica a causa de los incendios naturales.

b) Describa brevemente principales actividades humanas que intervienen en el ciclo del carbono (5 puntos).
SOL. Las intervenciones humanas en el ciclo del carbono han supuesto un gran incremento del CO2 liberado a la atmósfera: el incremento del consumo de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) utilizados en actividades industriales, medios de transporte, calefacciones, etc. se ha convertido en un medio significativo de reciclar rápidamente carbono sedimentario.
Por otra parte, la deforestación masiva reduce considerablemente el elevado potencial de los bosques para capturar CO2 que almacenan en su biomasa. Cuando se destruyen los bosques, mediante la quema de árboles, se convierten en fuentes de carbono a la atmósfera.


3.- ¿Qué es un ciclo biogeoquímico? Explica el ciclo biogeoquímico del azufre. ¿Qué alteraciones provocan las actividades humanas en este ciclo?
SOL. Los seres vivos están formados por elementos químicos, fundamentalmente por oxígeno, hidrógeno, carbono y nitrógeno que, en conjunto, suponen más del 95% de peso de los seres vivos. El resto es fósforo, azufre, calcio, potasio, y un largo etcétera de elementos presentes en cantidades muy pequeñas, aunque algunos de ellos muy importantes para el metabolismo.
Estos elementos también se encuentran en la naturaleza no viva, acumulados en depósitos. Así, en la atmósfera hay O2, N2 y CO2. En el suelo H2O, nitratos, fosfatos y otras sales. En las rocas fosfatos, carbonatos, etc. 
Pues bien, en los ecosistemas la materia se utiliza de forma cíclica: se parte de una materia y se llega a la misma al final de los procesos de alimentación, distribución y transporte de materiales en los ambientes terrestres, acuáticos y atmosféricos.  Todos estos procesos constituyen un ciclo biogeoquímico.

Ciclo del azufre
El azufre circula a través de la biosfera de la siguiente manera, por una parte se comprende el paso desde el suelo o bien desde el agua, si hablamos de un sistema acuático, a las plantas, a los animales y regresa nuevamente al suelo o al agua.

Algunos de los compuestos sulfúricos presentes en la tierra son llevados al mar por los ríos. Este azufre es devuelto a la tierra por un mecanismo que consiste en convertirlo en compuestos gaseosos tales como el ácido sulfhídrico (H2S) y el dióxido de azufre (SO2). Estos penetran en la atmósfera y vuelven a tierra firme. Generalmente son lavados por las lluvias, aunque parte del dióxido de azufre puede ser directamente absorbido por las plantas desde la atmósfera.


La actividad industrial del hombre está provocando exceso de emisiones de gases sulfurosos a la atmósfera y ocasionando problemas como la lluvia ácida.

3.-Responda razonadamente a las siguientes cuestiones relacionadas con los ciclos biogeoquímicos:
a.-Citar tres compuestos de la atmósfera en los que se encuentra el carbono? ¿Cuál es el compuesto mayoritario. (3 puntos)
SOL. Entre otros, podemos citar el dióxido de carbono, el monóxido de carbono, el metano, los COV (Compuestos Orgánicos Volátiles), etc.
El compuesto mayoritario es el dióxido de carbono, encontrándose en un 0.03% de la composición del aire.

b.- ¿Por qué el fósforo es el principal factor limitante en los ecosistemas? (2 puntos)
SOL. Porque el fósforo se encuentra mayoritariamente inmovilizado en los sedimentos marinos formando parte de la litosfera. Su proceso de liberación es muy lento por depender del ciclo geológico. 

c.-¿Qué papel desempeñan en el ciclo del nitrógeno las bacterias nitrificantes y desnitrificantes del suelo. (3 puntos)
SOL. En los suelos, las bacterias nitrificantes son descomponedores capaces de transformar el amoniaco (NH3) en nitratos asimilables por las plantas.
Por su parte, las bacterias desnitrificantes empobrecen el suelo en nitrógeno, y transforman bajo condiciones anaerobias (falta de oxígeno) los nitratos en nitrógeno, que pasa a la atmósfera. 

d.- Indica en qué parte del ciclo del azufre se genera, por influencia humana, la lluvia ácida. (2 puntos)
SOL. El azufre presente en los combustibles fósiles es liberado a la atmósfera mediante procesos de combustión en forma de SO2, que experimenta un proceso de oxidación en el que se forma ácido sulfúrico, que se disuelve en gotas de lluvia retornando el azufre al suelo por medio de las precipitaciones.

3.- Mencionar los principales depósitos inorgánicos de Carbono, Nitrógeno, Fósforo y Azufre del planeta a partir de los cuales se inician los ciclos  biogeoquímicos de estos elementos en los ecosistemas. SOL.
o   Depósitos de carbono: el CO2 presente en la atmósfera y el disuelto en el agua, así como el carbono contenido en las rocas carbonatadas.
o   Depósitos de nitrógeno: la atmósfera como nitrógeno molecular y el suelo, donde está principalmente en forma de nitratos.
o   Depósitos de fósforo: los fosfatos inorgánicos que constituyen las rocas, mayoritariamente en los sedimentos marinos formando parte de la litosfera.
o   Depósitos de azufre: los sulfatos del suelo, mayoritariamente en forma de yeso.

2.- Como resultado de la evolución de los ecosistemas las comunidades sufren sustituciones a las que se designa como sucesiones.
a)     ¿Qué tipos de sucesiones existen? SOL.
-   Sucesión primaria: se produce cuando los seres vivos colonizan una zona previamente despoblada. Ejemplo, en una isla volcánica.
-   Sucesión secundaria: se produce en ecosistemas ya existentes cuando sus principales especies desaparecen y son reemplazadas por otras nuevas, constituyéndose una biocenosis total o parcialmente diferente a la existente con anterioridad.

b)     ¿Cuáles son las principales causas de las sucesiones?
SOL. Las principales causas son cambio en las condiciones:
-   Climáticas: cambios bruscos en los regímenes de temperatura y precipitaciones, por ejemplo, que aumentan la erosión de los suelos.
-   Edáficas: destrucción del suelo por ejemplo como consecuencia de la sobreexplotación de éste por el ser humano., cambio en la composición de los suelos, etc.
-   Alteraciones antropocéntricas: por sobreexplotación, incendios forestales, mal uso de la ordenación del territorio, salinización, contaminación de suelos, etc.

c)     ¿A qué se denomina etapa clímax?
SOL. En una sucesión, las poblaciones que habitan el biotopo van siendo sustituidas progresivamente por otras, hasta que la biocenosis alcanza una composición en equilibrio estable con su ambiente. Esta biocenosis final, que tiende a ser estable, se dice que ha alcanzado el clímax.
En resumen, la etapa clímax representa el estado de mayor complejidad o máxima madurez de un ecosistema en equilibrio con el medio. La biocenosis en estado de clímax sólo podrá ser desplazada cuando se produzcan cambios muy radicales.

d)     ¿Qué incidencia tienen las explotaciones agrícolas sobre las sucesiones?
SOL. Desde el punto de vista de la sucesión, las explotaciones agrícolas pueden suponer una regresión que favorece la presencia de especies pioneras.
No obstante también puede suponer la desaparición de determinadas especies, que son reemplazadas por otras más competitivas u oportunistas. Si estas especies son endémicas del ecosistema en sucesión, es decir, no tienen representantes en otras zonas terrestres, se extinguen, con lo cual hay una pérdida de la diversidad biológica.


3.- En relación con la sucesión ecológica, responda si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones y razone brevemente las respuestas (2 puntos por cada respuesta correcta y razonada)
a.- La diversidad de especies disminuye a medida que avanza la sucesión debido a que la competencia interespecífica reduce la cantidad de nichos ecológicos.
SOL. Falso. La diversidad de especies aumenta progresivamente, lo que se traduce en un aumento de los nichos ecológicos.

b.- La biomasa aumenta progresivamente hasta alcanzar la comunidad clímax, en la que se estabiliza.
SOL. Verdadero. En una sucesión, las poblaciones que habitan el biotopo van siendo sustituidas progresivamente por otras, hasta que la biocenosis alcanza una composición en equilibrio estable con su ambiente. Esta biocenosis final, que tiende a ser estable, se dice que ha alcanzado el clímax.

c.- El número de niveles tróficos y la complejidad de las relaciones tróficas se mantiene a lo largo de la sucesión.
SOL. Falso. Al aumentar la diversidad con el número de niveles tróficos aumenta la complejidad de las relaciones tróficas.

d.- La tasa fotosintética siempre es superior a la respiración, especialmente en la última etapa de la sucesión.
SOL. Falso. Al avanzar la sucesión hay una tendencia a la estabilidad metabólica; en los ecosistemas maduros la tasa de fotosíntesis se iguala a la de la respiración.

e.- A medida que avanza la sucesión se producen cambios secuenciales cíclicos en los que se recuperan especies que fueron sustituidas en etapas anteriores.
SOL. Verdadero. Esto ocurre en ocasiones cuando hay una regresión en el ecosistema. Ésta consiste en la destrucción irregular o al azar de algunos elementos de su estructura. Si la destrucción es local, existen en la periferia del área todos los elementos necesarios para que, al punto que deja de actuar el agente perturbador, la sucesión se reanude con gran rapidez. De este modo puede que se recuperen especies que fueron sustituidas en etapas anteriores.

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