Economía de la Energía en los Ecosistemas y la Producción de la Energía

¿Qué impulsa la vida? En la mayoría de los ecosistemas, la luz solar se absorbe y se convierte en formas utilizables de energía a través de la fotosíntesis. Estas formas utilizables de energía están basadas en carbono.

Economía de la energía en los ecosistemas

Las leyes de la física describen las interacciones entre la energía y la masa: la energía en un sistema cerrado se conserva y la materia no se puede crear ni destruir. La física moderna ha demostrado que la realidad es más compleja a escalas muy grandes y muy pequeñas (por ejemplo, la famosa ecuación de Einstein, E = mc 2demostró que la masa se puede convertir en energía en el sol o en los reactores nucleares), pero en el contexto de los ecosistemas de la Tierra, la energía se conserva y la materia no se puede crear ni destruir. Esta afirmación aparentemente simplista tiene profundas consecuencias cuando estudiamos cómo funcionan los ecosistemas. En particular, la energía presente dentro de un ecosistema es recolectada y compartida por organismos de muchas formas diferentes; este ‘compartir’ tiene lugar a través de interacciones ecológicas, como la dinámica y las simbiosis depredador-presa. Sin embargo, cuando pasamos al nivel del ecosistema, consideramos las interacciones entre organismos, poblaciones, comunidades y su entorno físico y químico . Estas interacciones tienen una influencia importante en la estructura de los organismos, los ecosistemas y, a lo largo del tiempo geológico, el planeta mismo.

Un ejemplo principal de esto involucra la moneda energética en los ecosistemas, que es el carbono. La cantidad y la forma de carbono presente en los diferentes grupos de ecosistemas, como plantas, animales, aire, suelo y agua, está controlada por organismos y, en última instancia, afecta su éxito ecológico. La cantidad de dióxido de carbono (CO 2 ) presente en la atmósfera es un importante regulador del clima de la Tierra; hasta que los humanos comenzaron a quemar combustibles fósiles en grandes cantidades, en escalas de tiempo de años a siglos, el CO 2las concentraciones fueron controladas íntegramente por plantas y microorganismos (con pequeñas aportaciones de animales y, periódicamente, importantes fuentes geológicas como los volcanes). ¿Cómo funciona este intercambio de carbono entre organismos y reservas inorgánicas dentro de los ecosistemas? La respuesta tiene dos partes importantes: la primera tiene que ver con cómo se genera la energía en los ecosistemas y la segunda tiene que ver con cómo se usa la energía.

Producción de energía

En la mayoría de los ecosistemas, la principal fuente de energía es el sol. Las plantas y los microorganismos terrestres y marinos utilizan la fotosíntesis para producir biomasa (material vivo): absorben longitudes de onda específicas de la luz solar utilizando el pigmento clorofila, para convertir la luz solar en energía química y ‘fijar’ (es decir, convertir) el CO 2de la atmósfera a compuestos orgánicos como azúcares, lípidos y proteínas. Muchos otros organismos, incluidos los humanos, consumen estos azúcares, lípidos y proteínas y utilizan la energía almacenada para impulsar sus actividades. De hecho, la energía que alimenta nuestras luces y alimenta nuestros automóviles también es ‘luz solar fosilizada’: se deriva de material orgánico que ha sido enterrado en el fondo del océano o un pantano y convertido por el calor y la presión en petróleo, carbón. , o gas natural durante el tiempo geológico. Esto lleva a la conclusión a menudo sorprendente de que la gran mayoría de la energía utilizada en la Tierra proviene en última instancia de la luz solar.

Hay tres excepciones importantes a esto, una que es significativa en los ecosistemas y dos que tienen poca influencia en la ecología. Tanto el calor geotérmico como la energía nuclear han sido aprovechados por los humanos, pero no son utilizados por otros organismos; estas pueden ser fuentes de energía importantes en nuestras ciudades, pero no en ecosistemas naturales. En contraste, muchos microorganismos pueden generar energía al realizar reacciones químicas que convierten los compuestos en diferentes formas químicas y liberan energía en el proceso. Estos se conocen como reacciones de oxidación-reducción (o redox). Algunos de estos microbios pueden usar energía química para fijar CO 2- al igual que los organismos fotosintéticos, pero utilizando reacciones químicas redox en lugar de la luz solar. Este no es un proceso importante a escala mundial, pero puede ser muy importante en determinadas circunstancias. Por ejemplo, la nitrificación es un proceso biogeoquímico esencial que llevan a cabo estos ‘quimioautótrofos’ a nivel mundial. Entre los ejemplos más conocidos se encuentran los notables ecosistemas que florecen en los respiraderos de aguas profundas. Las comunidades de respiraderos no son sostenidas por el calor que sale de estos respiraderos, sino que son sostenidas por los compuestos químicos (por ejemplo, metano y sulfuro de hidrógeno) que se descargan de los respiraderos y se convierten químicamente por microorganismos, generando así energía. Esta energía química es la principal fuente de energía que sustenta estos ecosistemas en su totalidad, y antes de que evolucionara la fotosíntesis.

Consumo de energía

En nuestro mundo ‘verde’ dominado por plantas y otros organismos fotosintéticos (conocidos colectivamente como fotoautótrofos), los respiraderos de aguas profundas son la excepción: la gran mayoría de los ecosistemas de la Tierra son sustentados en última instancia por la luz solar. Los azúcares, lípidos y proteínas generados por plantas y microbios almacenan energía del sol en enlaces carbono-hidrógeno (CH); estos se descomponen en las células para liberar energía a través de la respiración, y también los descomponemos de nuestros tanques de combustible para liberar energía a través de la combustión. Aunque la respiración y la combustión son procesos muy diferentes, en última instancia producen el mismo resultado, que es usar oxígeno para convertir los compuestos orgánicos que contienen enlaces CH de nuevo en CO 2.. Este proceso es muy favorable desde el punto de vista energético, por lo que los organismos que utilizan enlaces CH para obtener energía van desde pequeñas bacterias hasta animales grandes y casi todo lo que se encuentra en el medio. Algunos organismos usan la energía producida por las plantas directamente, algunos comen organismos que comen plantas, algunos comen organismos que comen organismos que comen plantas, y así sucesivamente; algunos organismos usan una mezcla de fuentes de carbono y algunos usan productos de desecho, pero en última instancia, las redes alimentarias conducen de regreso a la energía producida por plantas y microbios. Como resultado, las ecuaciones netas para la fotosíntesis y la respiración son increíblemente importantes en la ecología de los ecosistemas:

• Fotosíntesis: 6CO 2 + 6H 2 O + energía luminosa → C 6 H 12 O 6 (glucosa) + 6O 2
• Respiración: C 6 H 12 O6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O + energía química

Debido a que muchos organismos diferentes (desde bacterias hasta animales) pueden hacer uso del material que producen los fotoautótrofos, casi todo se usa, y la fotosíntesis y la respiración suele estar estrechamente equilibrada a lo largo del tiempo. Esto conduce a varias ideas clave. Primero, CO 2que es fijado por fotoautótrofos eventualmente regresa a la atmósfera; esto puede no ser exactamente igual, particularmente como resultado de la modificación humana de los ecosistemas, y también en escalas de tiempo geológicas, pero generalmente es casi igual. En segundo lugar, esto se equilibra con una liberación y un consumo de oxígeno casi iguales y con un consumo y una liberación de agua. Debido a que estos términos de producción y consumo tienden a equilibrarse entre sí, se cancelan si combinamos las ecuaciones anteriores: el CO 2 y el agua que se consumen mediante la fotosíntesis se regeneran mediante la respiración; el oxígeno producido por la fotosíntesis es consumido por la respiración. El efecto neto de la fotosíntesis y la respiración es que la energía luminosa se convierta en energía química. Esta es la conservación de la energía en los ecosistemas:la luz solar absorbida por las plantas y los microbios finalmente alimenta todo el ecosistema .

Conservación de la energía: equilibrar el presupuesto

El carbono actúa como una moneda de energía en los ecosistemas porque la luz se convierte en compuestos de carbono orgánico (azúcares, grasas, proteínas) y los compuestos de carbono orgánico se convierten luego en energía química. Por lo tanto, la cantidad total de material orgánico que producen las plantas está directamente relacionada con la cantidad de energía luminosa que se absorbe. Esta es la producción primaria, término que se refiere al crecimiento de las plantas o al cambio en su biomasa total. Se la denomina producción ‘primaria’ porque es biomasa que se produce directamente a partir de CO 2 , mientras que la producción secundaria se produce a partir de material orgánico ya existente. La producción primaria se expresa en términos de carbono fijado por unidad de tiempo y por unidad de espacio, y representa una propiedad fundamental de un ecosistema, que es la tasa de energía generada a lo largo del tiempo.

El sombreado verde en la tierra muestra el índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI), que está fuertemente correlacionado con la producción primaria de plantas. El sombreado azul en los océanos representa las concentraciones de clorofila en la superficie; Las concentraciones de clorofila están directamente relacionadas con la abundancia de plantas marinas microscópicas o fitoplancton, y se pueden utilizar para cuantificar la producción primaria marina. (Cortesía del Observatorio de la Tierra de la NASA)

Como podría imaginarse, medir todo el crecimiento de las plantas en un bosque o todo el crecimiento del fitoplancton en un mar es un desafío enorme. Sin embargo, debido a que esto está relacionado en última instancia con la cantidad de energía luminosa que se absorbe, y podemos medir la luz absorbida y emitida utilizando satélites en el espacio, los científicos han descubierto formas inteligentes de medir la producción primaria utilizando datos satelitales. Esto funciona porque los ecosistemas parecen tener una eficiencia de uso de la luz (LUE) relativamente constante que representa la proporción de luz absorbida que se convierte en biomasa. Curiosamente, esta es una pequeña proporción de la energía total que llega a la Tierra desde el sol (mucha luz solar se refleja o se absorbe y se vuelve a irradiar al espacio) y si miras a tu alrededor y ves cuánto crecimiento vegetal o producción primaria ocurre , te haces una idea de cuánta energía puede proporcionar el sol. Los datos satelitales nos han brindado imágenes amplias de la biosfera viviente que pueden usarse para determinar la cantidad total de producción, carbono y energía que circula por los ecosistemas .

La economía de energía y carbono de un ecosistema

Las plantas que realizan la fotosíntesis convierten el dióxido de carbono en compuestos orgánicos de carbono utilizando la luz solar como fuente de energía; estos compuestos continúan alimentando a casi todos los demás organismos del ecosistema, desde bacterias hasta animales. Las flechas representan los flujos de carbono y energía entre diferentes componentes del ecosistema.

Usando mapas como estos, podemos comparar diferentes lugares o medir la producción primaria de una temporada a otra o de un año a otro. Cuando esto fue logrado por primera vez por Field et al.En 1998, los científicos se sorprendieron al descubrir que aproximadamente la misma cantidad de producción primaria total ocurre en el océano que en la tierra, a pesar de las diferentes dinámicas físicas que seleccionan para diferentes productores primarios (fitoplancton marino y plantas terrestres). Los océanos cubren un área mucho más grande que la tierra, por lo que las tasas por área son más bajas que en la tierra. Como era de esperar, las diferentes regiones tienen niveles de producción muy diferentes, siendo los bosques tropicales extremadamente productivos y los desiertos y la tundra polar mucho menos productivos. Los océanos también muestran una fuerte variación desde los giros en medio del océano, que son esencialmente desiertos marinos, hasta los productivos océanos tropicales y polares.

La forma en que se utilizan posteriormente la producción primaria, la energía y el carbono varía aún más de un ecosistema a otro. Gran parte es consumida por herbívoros, pero parte cae al suelo o al fondo del océano profundo; parte de lo que comen los herbívoros se convierte en biomasa, pero mucho se respira y parte se convierte en desperdicio. Estas proporciones relativas varían espacial y temporalmente, pero eventualmente, el carbono producido por las plantas es utilizado por la diversidad de organismos presentes en un ecosistema dado. Incluso los productos ‘de desecho’ son una rica fuente de energía y otros nutrientes para microorganismos como bacterias y hongos, por lo que los desechos se consumen con el tiempo. Parte del carbono permanece resistente al ataque o ‘recalcitrante’ (por ejemplo, muchos compuestos orgánicos en el suelo son recalcitrantes), pero la mayor parte del carbono fijo se puede utilizar como fuente de energía y luego se devuelve a la atmósfera como CO2 . Todos estos flujos de carbono a menudo se dividen en una sopa de letras de producción primaria bruta (GPP), producción primaria neta (NPP), respiración vegetal ( planta R ), respiración heterótrofo ( heterótrofo R ), producción neta del ecosistema (NEP) y ecosistema neto. intercambio (NEE); estos son conceptos que se exploran en ecología de ecosistemas y exhiben patrones notables. Por ejemplo, la NPP, la respiración de las plantas y la respiración de los heterótrofos parecen ser aproximadamente iguales en muchos ecosistemas.

Pero, ¿qué sucede si este presupuesto de carbono se desequilibra? ¿Qué pasaría con el tiempo, por ejemplo, si la respiración heterotrófica fuera un poco menor que la NPP? El resultado son ecosistemas como las turberas, donde el material orgánico se acumula en los suelos. Cuando esas turberas se drenan y se utilizan de otras formas (por ejemplo, como plantaciones de palma aceitera en el sureste de Asia), ese carbono termina de nuevo en la atmósfera. Hay otras excepciones importantes e interesantes a la regla del equilibrio del carbono y, a medida que los seres humanos continúan produciendo energía y alimentos, seguimos alterando el equilibrio del carbono de los ecosistemas.

Bibliografía

1. Por: J. Michael Beman ( Facultad de Ciencias Naturales, Universidad de California en Merced ) © 2010 Nature Education
2. Cita: Beman, J. (2010) Energy Economics in Ecosystems. Conocimiento de educación de la naturaleza 3 ( 10 ) : 13
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