cadenas tróficas: PRINCIPIOS TERMODINAMICOS EN LOS ECOSISTEMAS.

PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS EN LOS ECOSISTEMAS

La termodinámica es el estudio del comportamiento de la energía calorífica y las formas en que la energía se transforma en calor.La energía de entrada, o energía que entra al ecosistema, es medida en joules o calorías. En el estudio de flujo de energía, los ecólogos tratan de cuantificar la importancia de las diferentes especies y las relaciones tróficas.

FUNCIONAMIENTO DE UN ECOSISTEMA

El funcionamiento de todos los ecosistemas es parecido. Todos necesitan una fuente de energía que, fluyendo a través de los distintos componentes del ecosistema mantienen la vida y movilizan el agua, los minerales y otros componentes físicos del ecosistema. La fuente primera y principal de energía es el sol, que permite que se realicen todas las actividades de la vida. Las moléculas orgánicas (presentes en los seres vivos) han sido construidas a partir de componentes químicos simples, éstos se obtienen del medio en forma de nutrientes. La energía solar se utiliza y se transforma a través de distintas reacciones químicas y termina convertida en energía calórica que irradia nuevamente al espacio. En tanto los nutrientes químicos se conservan y, aunque cambien su forma y distribución, no se van de la tierra y se regeneran constantemente.

LA TERMODINÁMICA EN EL ECOSISTEMA

Entre los seres vivos de un ecosistema, la energía fluye en un solo sentido, desde los organismos autótrofos, o productores, es transferida hacia los consumidores mediante las relaciones alimentarias. En cada transferencia, se producen grandes pérdidas de energía en forma de calor, el cual es emitido al ambiente. Esto determina que la cantidad disponible para el organismo heterótrofo del último nivel trófico de la cadena de transferencia, sea menor en comparación a la cantidad de energía de laque disponen los organismos que se ubican en niveles anteriores.

Hemos visto que la energía puede transformarse de una forma a otra, de múltiples modos. La energía potencial acumulada se transforma en energía cinética y viceversa. La energía química del combustible se transforma, en un motor de explosión, en energía térmica y luego en energía mecánica. La energía eléctrica se acumula en forma de energía química en una batería, mientras que la energía eléctrica puede convertirse en energía mecánica en un motor eléctrico, por poner sólo algunos ejemplos.

Todas estas conversiones de la energía vienen determinadas por dos leyes conocidas como Principios de la Termodinámica, que las limitan y que enunciadas de forma sencilla son:

1ª Ley de la Termodinámica: la energía ni se crea ni se destruye, sólo puede transformarse de una de sus formas en otra. En otras palabras la energía total del Universo es constante. Se conoce también como Ley de Conservación de la Energía.

2ª Ley de la Termodinámica: la energía se degrada continuamente en energía térmica. Dicho de otro modo en cualquier conversión de energía nunca se puede obtener el 100% de eficacia, puesto que una parte se degrada indefectiblemente y se pierde en forma de calor.

Ambas leyes tienen consecuencias fundamentales sobre las transformaciones de la energía. En primer lugar la Ley de Conservación de la Energía nos dice que no puede obtenerse algo por nada; la cantidad de energía obtenida en un proceso no puede ser superior a la invertida. Nunca podemos diseñar y fabricar ningún ingenio humano que produzca más energía de la que consume.

Por otro lado la 2ª Ley de la Termodinámica, nos indica que la calidad de la energía tiende siempre hacia una forma menos útil, lo que equivale a que el desorden en el Universo, tiende a crecer. Este desorden se asocia con un término físico denominado entropía. Esta tendencia al aumento de la entropía se manifiesta en que sin entradas de energía exteriores, los sistemas tienden hacia un mayor desorden. Por ejemplo, las creaciones humanas sin un adecuado mantenimiento tienden de forma natural a disgregarse y desaparecer y no al revés, a auto regenerarse. Otra forma de verlo es que todos los sistemas tienden espontáneamente hacia la menor energía potencial, lo que implica abandonar calor hacia el exterior. Así, el agua siempre tiende a fluir ladera abajo, de forma natural.

Resumiendo las leyes de la Termodinámica nos dicen que es imposible obtener más energía de la que hemos invertido en un cierto proceso, e incluso que la cantidad de energía obtenida es siempre menor que la invertida porque indefectiblemente, una parte se degradará en forma de calor. Es posible que alcancemos mayores rendimientos en la conversión pero nunca podrán ser del 100% !.

Por ejemplo, la energía de la luz se transforma en materia orgánica (leña), que a su vez se transforma en calor (fuego) y luz; el calor se puede transformar en energía del movimiento (máquinas a vapor); ésta en luz (dinamo que produce electricidad), y así sucesivamente. La segunda ley dice que al pasar de una forma de energía a otra (energía mecánica a química a calor y viceversa) hay pérdida de energía en forma de calor. Cualquier cambio de una forma de energía a otra produce pérdidas por calor.

De esto se deduce que un ecosistema no puede ser auto abastecido de energía en el corto plazo y que todos los procesos naturales son irreversibles en cuanto al flujo de energía, es decir, el flujo de energía sigue una sola dirección.

RELACIÓN DE LA TERMODINÁMICA Y LA CADENA TRÓFICA

Consiste en que la energía solar que llega a la superficie de un ecosistema se aprovecha sólo un 1 % aproximadamente, porque las pérdidas son considerables hasta llegar a la producción primaria. En efecto, sólo el 45% de la luz disponible es absorbible por los orgánulos fotosintéticos; una parte de la radiación potencial es reflejada; otra parte es transmitida por los órganos vegetales, 0 sea, que pasa por ellos, y la energía absorbida es transformada en calor. En el mismo ecosistema hay pérdida de energía, porque cerca de la mitad de la producción primaria bruta es gastada por los productores en su metabolismo y se pierde como calor, y sólo la otra mitad está disponible para los consumidores como alimento (carbohidratos, celulosa, lignina, grasas, proteínas, etc.)

El movimiento de los materiales es continuo: los diferentes elementos químicos pasan del suelo, el agua o el aire a los organismos y de unos seres vivos a otros, hasta que vuelven cerrándose el ciclo - al suelo o al agua o al aire. La materia se recicla -en un ciclo cerrado- y la energía pasa - fluye- generando organización en el sistema. En un ecosistema las moléculas orgánicas, que contienen energía, producidas por los organismos autotróficos o productores (las plantas y algunos protistas) son la fuente de alimento para los organismos heterotróficos o consumidores. Por ejemplo, una planta puede ser comida por un animal y éste, a su vez, por otro animal. De esta manera la energía es transferida a través de una serie de organismos cada uno de los cuales se alimenta de los organismos que encuentra en el nivel anterior. Esta secuencia se denomina cadena trófica o alimentaria. Cada nivel de esta cadena se llama nivel trófico. En la cadena trófica, al pasar de un eslabón a otro, hay más pérdida de energía a través de la respiración y los procesos metabólicos de los individuos, porque el mantener vivo un organismo implica gastar, en forma de calor, parte de la energía captada; las sustancias no digeribles, que son excretadas o regurgitadas y descompuestas por los detritívoros; y la muerte de individuos, que ocasiona pérdidas, pero la energía es devuelta, en parte, por los desintegradores. La fotosíntesis de las plantas verdes es el proceso fundamental mediante el cual la energía solar es transformada en materia orgánica, que mantiene todas las formas de vida sobre la Tierra. Sin la energía solar no seria posible la vida, y el día en que el Sol cese de producir energía, también se acabará la vida en nuestro planeta indefectiblemente, al menos en forma generalizada. Naturalmente esto sucederá dentro de unos 7000 millones de años.

FLUJO DE LA ENERGÍA A TRAVÉS DE LOS ECOSISTEMAS

La vida en la tierra depende de la energía del sol que llega a la superficie terrestre y queda a disposición de los seres vivos. A 150 millones de kilómetros de distancia el sol libera enormes cantidades de energía, una pequeñísima fracción de esta energía llega a la tierra en forma de ondas electromagnéticas, que incluyen calor, luz y radiación ultravioleta. De la energía que llega, gran parte es reflejada por la atmósfera, las nubes y la superficie terrestre. La tierra y su atmósfera absorben una cantidad aún mayor, y sólo queda alrededor de 1% para ser aprovechada por los seres vivos. Del 1% de la energía que llega a la tierra en forma de luz, las plantas verdes y otros organismos fotosintéticos capturan 3% o menos. En conclusión la vida en la tierra se sostiene con menos de 0,03% de la energía que la Tierra recibe del Sol. Como vimos en Elementos de Ecología, todas las transformaciones de la energía obedecen a las Leyes de la Termodinámica. La segunda ley de la Termodinámica gobierna los patrones de flujo de energía a través de los ecosistemas. La fotosíntesis y el flujo de la energía La energía entra a las comunidades por la vía de la fotosíntesis. Esta energía alimenta los procesos del ecosistema. La tasa o intensidad a la cual las plantas (productores de un ecosistema) capturan y almacenan una cantidad dada de energía se denomina productividad primaria bruta, la que está determinada por la cantidad de agua y temperatura disponibles. Y producción primaria neta es la que queda luego de restar la energía que las plantas usan para su mantenimiento (como respiración, construcción de tejidos y reproducción). Parte de esta energía (la que forma los tejidos vegetales) es consumida por animales herbívoros o usada por otros organismos cuando la planta muere. Las plantas contienen mucha menos energía que la que asimilaron debido a la gran cantidad que consumen para su mantenimiento, solo la energía que las plantas no usan para mantenerse está disponible para ser almacenada por los animales.