Energía Solar y su Aprovechamiento en Ecosistemas

Radiación Solar Incidente y Disponible

La cantidad de energía solar que llega a la superficie terrestre es considerable, pero solo una fracción es utilizada por los organismos fotosintéticos. Consideremos un valor de referencia de 1 gcal/cm²/min de energía solar incidente:

  • Un 10% es reflejado (albedo).
  • Del 90% restante (0,90 gcal/cm²/min), aproximadamente un 50% se consume en procesos de evapotranspiración (0,45 gcal/cm²/min).
  • Esto deja unas 0,45 gcal/cm²/min a disposición de la capa vegetal para ser empleadas en procesos fotosintéticos.

Esta energía disponible (0,45 gcal/cm²/min) se compone aproximadamente de:

  • 42% luz visible
  • 49% radiación infrarroja
  • 9% radiación ultravioleta

Radiación Fotosintéticamente Útil (RFU) y Absorción

La Radiación Fotosintéticamente Útil (RFU), que corresponde principalmente a la luz visible, es de aproximadamente 0,20 gcal/cm²/min (cerca del 42-44% de la energía disponible tras la reflexión y evapotranspiración, y aproximadamente el 20% de la luz solar total incidente inicial en este ejemplo).

Solo un porcentaje variable de esa RFU (casi nunca superior al 55-65%) es absorbido por la clorofila y otros pigmentos fotosintéticos. La cantidad de energía solar efectivamente aprovechada por la fotosíntesis para producir materia orgánica es muy baja, a menudo estimada en torno al 0.2% de la energía solar total incidente.

Todos estos valores se modifican mucho según:

  • La hora del día
  • La época del año
  • La latitud y longitud geográfica
  • La topografía
  • El Índice de Área Foliar (IAF) de la comunidad vegetal

La cantidad absorbida también va a depender del tipo de hoja, según sus propios valores de reflexión, transmisión y absorción.

Estructura Trófica de los Ecosistemas

Definición

La estructura trófica se refiere al modo en que los organismos de un ecosistema se relacionan desde el punto de vista de la alimentación o adquisición de nutrientes.

Cadenas y Redes Tróficas

Las cadenas tróficas (o cadenas alimenticias) son representaciones lineales de las relaciones entre organismos implicados en la función de comer o ser comido. Muestran la dirección del flujo de energía y materia.

La red trófica (o red alimenticia) es una representación más realista y compleja, que muestra el conjunto de cadenas tróficas interconectadas que pueden establecerse en un ecosistema.

Niveles Tróficos

Una red trófica se organiza en niveles:

  1. Productores: Organismos autótrofos (principalmente plantas y algas) que convierten la energía solar en energía química (materia orgánica) mediante la fotosíntesis. Constituyen la base de la red trófica.
  2. Consumidores Primarios: Herbívoros que se alimentan de los productores.
  3. Consumidores Secundarios: Carnívoros u omnívoros que se alimentan de los consumidores primarios.
  4. Consumidores Terciarios: Carnívoros u omnívoros que se alimentan de los consumidores secundarios.
  5. Descomponedores: Organismos (bacterias, hongos) que descomponen la materia orgánica muerta de todos los niveles, devolviendo los nutrientes inorgánicos al ecosistema para ser reutilizados por los productores.

El número de eslabones (niveles tróficos) que constituye una cadena alimenticia es variable, dependiendo del ecosistema.

Flujo de Energía y Ciclo de Materia

Transferencia de Energía y Materia

En la transferencia de energía de un nivel trófico a otro, es indispensable la participación de los vegetales (productores), que son la puerta de entrada de la energía al ecosistema. La materia orgánica producida en la fotosíntesis es utilizada por las plantas para crecer. Otro porcentaje es empleado para respirar, liberar energía y realizar las funciones vitales propias del vegetal.

El segundo nivel trófico es el de los herbívoros. Estos usan parte de esa materia vegetal consumida para crecer y desarrollarse, y otra parte se pierde en la respiración y excreción. Esto mismo se repite en todos los niveles tróficos consecuentes.

Ciclo de Materia vs. Flujo Unidireccional de Energía

Cuando los individuos de cualquier nivel trófico mueren, su materia orgánica pasa a ser descompuesta por los descomponedores y convertida en materia inorgánica, que puede ser usada nuevamente por los productores. Así podemos decir que el flujo de materia es cíclico.

Sin embargo, la energía se va transformando de nivel en nivel, y en cada transferencia una gran parte se pierde en forma de calor (debido a la respiración y los procesos metabólicos), que se desprende al medio y no puede ser reutilizado por los organismos del siguiente nivel trófico (cumpliendo así la segunda ley de la termodinámica). En consecuencia, se puede decir que el flujo energético es unidireccional: la energía solar es transformada por las plantas en energía química y, a través de los distintos niveles tróficos, es devuelta finalmente al medio en forma de energía calorífica.

Pirámides Ecológicas y la Regla del 10%

En cada eslabón o nivel trófico de una cadena alimenticia se origina una pérdida de materia y energía. Por lo tanto, la cantidad de energía (y biomasa) disponible va disminuyendo a lo largo de dicha cadena.

Una forma de representar esta disminución es a través de la pirámide de energía, donde se representa la energía disponible en cada nivel trófico. Como regla general aproximada (conocida como la “regla del 10%”), la energía que recibe un nivel es aproximadamente el 10% de la energía que disponía el nivel inmediatamente inferior.

Eficiencia Ecológica

La eficiencia ecológica (o eficiencia trófica) es la relación entre la energía asimilada por un nivel trófico y la energía asimilada por el nivel trófico inferior. Generalmente se expresa como un porcentaje y suele rondar el 10% mencionado anteriormente.

(Nota: El texto original mencionaba una comparación entre ‘Rendimiento’ y ‘Eficiencia’ entre niveles N y N+1, pero la definición estaba incompleta. Generalmente, se habla de eficiencia de producción dentro de un nivel y eficiencia ecológica entre niveles).

Componentes del Ecosistema y Tipos de Organismos

Ambiente y Ecosistema

El Ambiente es el sistema global constituido por elementos naturales y artificiales de naturaleza física, química, biológica, sociocultural y de sus interrelaciones.

Un ecosistema está formado por la comunidad de organismos (factores bióticos) y el medio físico en el que viven (factores abióticos), y las interacciones entre ellos.

Factores Bióticos y Abióticos

  • Factores abióticos: Componentes no vivos del ecosistema (luz solar, temperatura, agua, suelo, nutrientes inorgánicos, etc.).
  • Factores bióticos: Componentes vivos del ecosistema (plantas, animales, hongos, bacterias, etc.).

Los factores abióticos pueden existir sin los factores bióticos, pero los factores bióticos no pueden prescindir de los factores abióticos.

Organismos Autótrofos

Los autótrofos tienen la capacidad de sintetizar todas las sustancias esenciales para su metabolismo (materia orgánica) a partir de sustancias inorgánicas, utilizando una fuente de energía externa (luz solar o reacciones químicas). Para su nutrición no necesitan de otros seres vivos. Son los productores del ecosistema.

  • Fotosíntesis: Es el proceso en virtud del cual los organismos con clorofila (como las plantas verdes, las algas y algunas bacterias) capturan energía en forma de luz y la transforman en energía química almacenada en moléculas orgánicas.

Organismos Heterótrofos

Los heterótrofos, en contraste con los organismos autótrofos, son aquellos que obtienen nutrientes y energía consumiendo la materia orgánica procedente de otros seres vivos. Incluyen a los consumidores (herbívoros, carnívoros, omnívoros) y descomponedores.

  • Respiración Celular: Es un proceso vital, fundamental tanto para autótrofos como heterótrofos, que consiste en la oxidación de materia orgánica para liberar la energía química contenida en ella, necesaria para las funciones vitales. En organismos aerobios, este proceso implica generalmente la entrada de oxígeno y la salida de dióxido de carbono.