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Contenido principal

Flujo de energía y productividad primaria

Puntos más importantes

  • Los productores primarios (generalmente plantas y otros fotosintetizadores) son la puerta de entrada para que la energía ingrese en las redes tróficas.
  • La productividad es la tasa a la cual se añade energía a los cuerpos de un grupo de organismos (tales como los productores primarios) en forma de biomasa.
  • La productividad bruta es la tasa total de captación de energía. La productividad neta es menor, se ajusta a la energía usada por los organismos en la respiración y el metabolismo.
  • La transferencia de energía entre los niveles tróficos es ineficiente. Solo alrededor del 10% de la productividad neta de un nivel termina como productividad neta en el siguiente nivel.
  • Las pirámides ecológicas son representaciones visuales del flujo de energía, la acumulación de biomasa y el número de individuos en los diferentes niveles tróficos.

Introducción

¿Alguna vez te has preguntado qué pasaría si desaparecieran todas las plantas de la Tierra, junto con los demás fotosintetizadores como las algas y bacterias?
Bueno, nuestro hermoso planeta definitivamente luciría estéril y triste. También perderíamos nuestra principal fuente de oxígeno, esa cosa importante que respiramos y de la que depende nuestro metabolismo. El dióxido de carbono ya no se eliminaría del aire y, como atraparía el calor, la tierra se calentaría con rapidez. Y, quizá lo más problemático, es que casi todos los seres vivos eventualmente se quedarían sin alimento y morirían.
¿Por qué pasaría esto? En casi todos los ecosistemas, los fotosintetizadores son la única "puerta de entrada" de la energía para ingresar en las redes tróficas (redes de organismos que se comen unos a otros). Si se eliminaran los fotosintetizadores, el flujo de energía se interrumpiría y el resto de los organismos se quedaría sin alimento. De esta manera, los fotosintetizadores sientan las bases de todos y cada uno de los ecosistemas que reciben luz.

Los productores son la puerta de entrada de la energía

Las plantas, algas y bacterias fotosintéticas actúan como productores. Los productores son organismos autótrofos, que "se alimentan a sí mismos", y fabrican sus propias moléculas orgánicas a partir del dióxido de carbono. Los fotoautótrofos, como las plantas, usan la energía luminosa para formar azúcares a partir del dióxido de carbono. La energía se almacena en los enlaces químicos de las moléculas, que las plantas pueden usar como combustible y material de construcción.
La energía almacenada en las moléculas orgánicas pueden pasarse a otros organismos en el ecosistema cuando esos organismos comen plantas u otros organismos que previamente han comido plantas. De esta manera, todos los consumidores o heterótrofos, organismos que se alimentan de otros, de un ecosistema dependen de los productores del ecosistema para obtener energía. Los consumidores incluyen herbívoros, carnívoros y descomponedores.
Si se eliminaran las plantas u otros productores de un ecosistema, no habría manera de que la energía entrara a la red trófica y la comunidad ecológica colapsaría. Esto se debe a que la energía no se recicla. En lugar de eso, se disipa en forma de calor a medida que se mueve a través del ecosistema, y debe reponerse constantemente.
Crédito de la imagen: basada en una imagen semejante de J. A. Nilsson1
Como los productores mantienen a todos los demás organismos en un ecosistema, la abundancia de productores, la biomasa (o peso seco) y la tasa de captura de energía son clave para comprender cómo se mueve la energía a través de un ecosistema y qué tipos y cantidades de otros organismos puede sostener ese ecosistema.

Productividad primaria

En ecología, la productividad es la tasa a la que se integra la energía en los cuerpos de los organismos en forma de biomasa. La biomasa es simplemente la cantidad de materia almacenada en los cuerpos de un grupo de organismos. La productividad puede definirse para cualquier nivel trófico o cualquier otro tipo de agrupación, y puede expresarse en unidades de energía o de biomasa. Hay dos tipos básicos de productividad: bruta y neta.
Para ilustrar la diferencia, consideremos la productividad primaria: la productividad de los productores primarios de un ecosistema.
  • La productividad primaria bruta, o PPB, es la tasa a la cual se captura la energía solar en las moléculas de glucosa durante la fotosíntesis: la energía capturada por unidad de área por unidad de tiempo. Los productores, como las plantas, usan parte de esta energía para su metabolismo y respiración celular y parte para su crecimiento y formación de tejidos.
  • La productividad primaria neta, PPN, es la productividad primaria bruta menos la tasa de pérdida de energía debida al metabolismo y mantenimiento. En otras palabras, es la tasa a la que la energía es almacenada como biomasa por las plantas y otros productores primarios, y que está a disposición de los consumidores del ecosistema.
Por lo general, las plantas capturan y convierten alrededor del 1.3% al 1.6% de la energía solar que llega a la superficie de la Tierra y usan alrededor de un cuarto de la energía capturada para su metabolismo y mantenimiento. Así que alrededor del 1% de la energía solar que llega a la superficie de la Tierra (por unidad de área y tiempo) termina como productividad primaria neta.
La productividad primaria neta varía entre los ecosistemas y depende de muchos factores, incluyendo la energía solar recibida, la temperatura, los niveles de humedad y de dióxido de carbono, la disponibilidad de nutrientes y las interacciones entre comunidades (por ejemplo, el consumo de pasto de los herbívoros)2. Estos factores afectan la cantidad de fotosintetizadores presentes para captar la energía luminosa y la eficiencia con la que realizan su función.
En los ecosistemas terrestres, la productividad primaria va de alrededor de 2000 g/m2/año en las selvas y marismas altamente productivas a menos de 100 g/m2/año en algunos desiertos. Puedes ver cómo la productividad primaria neta cambia en escalas de tiempo más cortas en el siguiente mapa dinámico, el cual muestra las variaciones estacionales y anuales en la productividad primaria neta de los ecosistemas terrestres en todo el mundo.
Crédito de la imagen: Productividad primaria neta de la NASA, dominio público

¿Cómo se mueve la energía entre los niveles tróficos?

La energía puede pasar de un nivel trófico al siguiente cuando las moléculas orgánicas del cuerpo de un organismo son consumidas por otro organismo. Sin embargo, la transferencia de energía entre niveles tróficos no suele ser muy eficiente.
¿Qué tan ineficiente? En promedio, solo alrededor del 10% de la energía almacenada como biomasa en un nivel trófico (por ejemplo, productores primarios) se almacena como biomasa en el siguiente nivel trófico (por ejemplo, consumidores primarios). Dicho de otro modo, la productividad neta generalmente disminuye en un factor de diez de un nivel trófico al siguiente.
Por ejemplo, en un ecosistema acuático en Silver Springs, Florida, las productividades netas, las tasas de energía almacenada como biomasa, para los niveles tróficos fueron como se muestra a continuación3:
  • Productores primarios, como plantas y algas: 7618 kcal/m2/año
  • Consumidores primarios, como caracoles y larvas de insectos: 1103 kcal/m2/año
  • Consumidores secundarios, como peces e insectos grandes: 111 kcal/m2/año
  • Consumidores terciarios, como peces grandes y serpientes: 5 kcal/m2/año
La eficiencia de transferencia varía entre niveles y no es exactamente del 10%, pero al hacer algunos cálculos podemos ver que es un valor cercano. Por ejemplo, el cálculo de la eficiencia de transferencia entre los productores primarios y los consumidores primarios se muestra a continuación:
Eficiencia de transferencia= 1103kcal/m2/año7618kcal/m2/año×100
Eficiencia de transferencia=14.5%
Productores (plantas) y consumidores (peces) de Silver Springs. Crédito de la imagen: Paseo en lancha con fondo de cristal en SilverSprings, Florida de Katie Yaeger Rotramel, CC BY-NC-SA 2.0
¿Por qué la transferencia de energía es ineficiente? Hay varias razones. Una es que no todos los organismos en un nivel trófico inferior son consumidos por aquellos en un nivel superior. Otra es que algunas de las moléculas en los cuerpos de los organismos que sí fueron comidos no son digeribles por los depredadores y se pierden en las heces (excrementos) de estos últimos. Los organismos muertos y las heces se convierten en la cena de los descomponedores. Por último, de las moléculas portadoras de energía que sí son absorbidas por los depredadores, algunas son utilizadas en la respiración celular en lugar de almacenarse como biomasa4,5.
¿Quieres ponerle números concretos a estos conceptos?

Pirámides ecológicas

Podemos ver los números y hacer los cálculos para ver cómo fluye la energía a través de un ecosistema. Pero, ¿no sería bonito tener un diagrama que representara toda esta información de una manera sencilla de procesar?
Las pirámides ecológicas proporcionan una imagen visual e intuitiva para comparar una característica de interés como el flujo de energía, la biomasa o la cantidad de organismos en los niveles tróficos de un ecosistema. Echemos un vistazo a tres tipos de pirámides y veamos cómo reflejan la estructura y función de los ecosistemas.

Pirámides de energía

Las pirámides de energía representan el flujo de energía a través de los niveles tróficos. Por ejemplo, la pirámide siguiente muestra la productividad bruta de cada nivel trófico en el ecosistema de Silver Springs. Una pirámide de energía generalmente muestra las tasas de flujo de energía a través de los niveles tróficos, no la cantidad absoluta de energía almacenada. Puede tener unidades de energía, como kcal/m2/año, o unidades de biomasa, como g/m2/año.
Crédito de la imagen: modificada de Flujo de energía: figura 3 de OpenStax College, Biology, CC BY 4.0
Las pirámides de energía siempre van hacia arriba, es decir, son más estrechas en cada nivel sucesivo (a menos que los organismos entren al ecosistema desde alguna otra parte). Este patrón refleja las leyes de la termodinámica, las cuales nos dicen que la energía no se puede crear y que una parte de ella debe convertirse en una forma no utilizable (calor) en cada transferencia.

Pirámides de biomasa

Otra forma de visualizar la estructura del ecosistema es con las pirámides de biomasa. Estas pirámides representan la cantidad de energía almacenada en el tejido vivo en los diferentes niveles tróficos. A diferencia de las pirámides de energía, las pirámides de biomasa muestran cuánta biomasa hay en cada nivel, no la tasa a la que se añade.
A continuación, a la izquierda, podemos ver la pirámide de biomasa del ecosistema de Silver Springs. Esta pirámide, como muchas de las pirámides de biomasa, es vertical. Sin embargo, la pirámide de biomasa que se muestra a la derecha, de un ecosistema marino en el Canal de la Mancha, está de cabeza, o invertida.
Crédito de la imagen: modificada de Flujo de energía: figura 3 de OpenStax College, Biology, CC BY 4.0
La pirámide invertida es posible debido a la alta tasa de rotación del fitoplancton. Este es devorado rápidamente por los consumidores primarios (zooplancton), por lo que su biomasa en cualquier momento es pequeña. Sin embargo, se reproduce tan rápido que, a pesar de que su biomasa constante es baja, tiene una alta productividad primaria que puede soportar una gran cantidad de zooplancton.

Pirámides de cantidad

Las pirámides de cantidad muestran cuántos organismos hay en cada nivel trófico. Pueden ser verticales, invertidas o como con bultos al medio, según el ecosistema que se trate.
Como se muestra en la imagen siguiente, un pastizal típico durante el verano tiene una base de plantas numerosas y la cantidad de organismos disminuye en los niveles tróficos superiores. Sin embargo, durante el verano, en los bosques templados, la base de la pirámide consiste en unas pocas plantas, la mayoría árboles, que son ampliamente superadas en número por los consumidores primarios, en su mayoría insectos. Como los árboles individuales son grandes, pueden sostener los otros niveles tróficos a pesar de su pequeña cantidad.
Crédito de la imagen: modificada de Flujo de energía: figura 3 de OpenStax College, Biology, CC BY 4.0

Resumen

Los productores primarios, los cuales generalmente son plantas y otros fotosintetizadores, son la puerta de entrada para que la energía ingrese en las redes tróficas.
La productividad es la tasa a la cual la energía se integra en los cuerpos de un grupo de organismos, como los productores primarios, en forma de biomasa. La productividad bruta es la tasa total de captación de energía. La productividad neta es más baja: es la productividad bruta ajustada para la energía usada por los organismos en su respiración y metabolismo, de forma que refleja la cantidad de energía almacenada como biomasa.
La transferencia de energía entre los niveles tróficos no es muy eficiente. Solo alrededor del 10% de la productividad neta de un nivel termina como productividad neta en el siguiente nivel.
Las pirámides ecológicas son representaciones visuales del flujo de energía, la acumulación de biomasa y el número de individuos en los diferentes niveles tróficos.

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