Grado 10 Ciencias naturales Unidad 2 ¿De qué está hecho todo lo que nios rodea? Tema ¿Cómo circula la energía en los ecosistemas? Nombre: Curso: Cuando los ecosistemas adquirieron un valor económico se convirtieron en recursos naturales, esa utilización de la palabra recurso ha influido mucho en la trasformación de los ambientes, pues al ser catalogado como recurso implícitamente adquirió valor económico. Dentro de los ecosistemas (Figura 1) se pueden reconocer varios tipos de individuos los cuales interaccionan en medios físicos como el agua, el aire y el suelo. Cada individuo de ese ecosistema vive gracias a un flujo de energía que parte desde los productores primarios u organismos autótrofos hasta los individuos que se encuentran en la cima de la red trófica. Esta energía fluye de manera constante entre los organismos que habitan ese ecosistema de tal manera que la ausencia de un organismo o presencia de uno nuevo produce un desequilibrio. Al talar los bosques, al contaminar el agua, al dañar el suelo, se generan desequilibrios que pueden llegar a hacer colapsar un ecosistema interrumpiendo ese flujo de energía entre organismos. Es pertinente que todas las actuales y las nuevas generaciones ayuden a conservar el equilibrio energético de aquel gigantesco ecosistema denominado Planeta Tierra. Figura 1. Ecosistemas Colombianos 1 ¿Cómo circula la energía en los ecosistemas? Actividad Introductoria 1. Lee el siguiente mito sobre el origen del río Amazonas según los indígenas y al final elabora un texto cuyos párrafos tengan una idea principal y mínimo una secundaria en el que el tema que se aborde sea el flujo de energía en los ecosistemas. Lupuna y el sol del amazonas Entre los indígenas de la Amazonía existe una creencia sobre el origen del río Amazonas, según ellos, en medio de la gran selva había un gigantesco árbol, tan alto que tocaba las estrellas, de tronco tan grueso que se tardaban varios días en darle una vuelta y tan frondoso que tapaba el sol con sus ramas (Figura 2) En aquellos días las tierras amazónicas eran tristes y pobres, en las noches los ancianos en secreto bebían del agua que brotaba del enorme tronco y guardaban su secreto de los jóvenes los cuales tenían que conseguirse el agua por su propia cuenta. Una noche un joven sigue a uno de los ancianos y al darse cuenta de que el anciano tomaba el agua del árbol, decidió talarlo. Reunió a todos los animales de la selva para poderlo talar, pero después de mucho trabajar cuando fueron a descansar, el árbol comenzó a cicatrizar y sus heridas a cerrar. Figura 2. Lupuna Al día siguiente todos los animales hicieron lo mismo, pero cuando iban a descansar de nuevo el árbol se curaba e intacto quedaba. Entonces decidieron no parar hasta por completo el árbol tumbar. Exhaustos y sedientos de tanto trabajar al fin los animales a Lupuna logran derribar. Tan grande era Lupuna que sus ramas al caer los Andes cobijaron y el agua de las tierras sacaron. El tronco de aquel viejo árbol se convirtió en el caudal del río Amazonas y sus hojas en todos los peces que lo habitan. Luego de esto, la luz y el agua llegaron a todos lados de la selva garantizando el alimento a todos los indígenas y animales de la región. 2 ¿Cómo circula la energía en los ecosistemas? 3 ¿Cómo circula la energía en los ecosistemas? 2. Responde los siguientes interrogantes: a. ¿Qué relación existe entre la energía solar y la producción de alimento, necesario para la supervivencia de todos los seres vivos que habitan el Amazonas? Argumenta tu respuesta. b. ¿Qué relación existe entre la cordillera de los Andes y el rio Amazonas? c. ¿De qué manera un árbol puede aportar nutrientes a la vida de los peces del rio Amazonas? 4 ¿Cómo circula la energía en los ecosistemas? 3. Escribe los objetivos que consideras puedes alcanzar durante la clase. »» Explicar cómo fluye la energía a través de los ecosistemas Actividad 1: Ecosistemas La ecología o también denominada biología de los ecosistemas es la ciencia que estudia las interrelaciones de los diferentes seres vivos entre sí y su entorno. A pesar de muchos estudios particulares en donde se han establecido grandes relaciones de los distintos procesos, aún no ha sido posible referir todos estos estudios a leyes ecológicas concretas, lo que convierte a la ecología en una ciencia de tipo observacional antes que experimental. A pesar de esto, la actual comunidad científica concuerda en que la ecología gira en torno a varios ejes entre los cuales es de resaltar la termodinámica, la estequiometría y selección natural de los cuales el que vamos a desarrollar es la termodinámica. La termodinámica Un sistema termodinámico se define como la parte del universo objeto de estudio. Los sistemas termodinámicos pueden ser aislados, cerrados o abiertos. Ejemplos de sistemas termodinámicos pueden ser: una célula, una persona, un vehículo, etc. Energía Energía Sistema aislado Un sistema aislado es aquél que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores. Sistema cerrado es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante) finalmente un sistema abierto es aquél que intercambia energía y materia con los alrededores (UPM, 2015) (Figura 3). Sistema cerrado + Materia Sistema abierto Alrededores Figura 3. Sistemas termodinámicos (UPM, 2015) 5 ¿Cómo circula la energía en los ecosistemas? Según Jørgensen & Fath 2004 la termodinámica explicaría de manera muy tentativa las observaciones ecológicas mediante relaciones matemáticas y físicas basadas en los siguientes ocho postulados: Contexto medioambiental 1. Todos los ecosistemas son sistemas abiertos embebidos en un entorno del que reciben energía o materia (input) y descargan energía-materia (output). Desde un punto de vista termodinámico este es un prerrequisito para los procesos ecológicos. Si los ecosistemas estuviesen aislados, sin limitar con una fuente de energía de baja entropía y un sumidero de energía de alta entropía, se aproximarían al equilibrio termodinámico sin vida y sin gradientes. 2. Los ecosistemas poseen varios niveles de organización y operan jerárquicamente. Este principio se utiliza reiteradamente cuando se describen ecosistemas: átomos, moléculas, células, organismos, poblaciones, comunidades, ecosistemas y la ecosfera. 3. A menores temperaturas las velocidades de los procesos son demasiado lentas y a mayores temperaturas los enzimas que catalizan los procesos de formación bioquímica se descomponen demasiado rápido. Los procesos que implican creación de orden (estructura) se favorecen por el aumento de la temperatura, pero también aumenta el coste de mantener la estructura frente a los procesos de desorden. Elementos / partes ecológicas 4. La masa, incluyendo la biomasa, y la energía se conservan. Este principio es usado reiteradamente en ecología y particularmente en modelización ecológica. 5. Los organismos con vida basada en el carbono comparten una bioquímica básica característica común. Esto implica que muchos compuestos bioquímicos pueden encontrarse en todos los organismos vivos. Así los organismos tienen casi la misma composición elemental y pueden representarse por un relativamente pequeño número de elementos, unos veinticinco. Este principio, que permite realizar cálculos estequiométricos en ecología considerando una composición promedio de la materia viva, se usa ampliamente. 6. No existen organismos aislados sino conectados con otros. La unidad mínima teórica para cualquier ecosistema son dos poblaciones, una de las cuales fija energía y la otra descompone y recicla los residuos, pero en la realidad los ecosistemas viables son redes complejas de poblaciones que interactúan entre sí. Este principio ha sido utilizado en numerosos trabajos sobre redes ecológicas. Procesos en ecosistemas 7. Todos los procesos de los ecosistemas son irreversibles. El mantenimiento de los procesos vitales necesita energía, que se cede como calor al medio de acuerdo con la Segunda Ley de la Termodinámica. 8. Los procesos biológicos usan la energía captada para apartarse del equilibrio termodinámico manteniendo un estado de baja entropía respecto a su entorno. Después de la captura inicial de energía a través de la frontera, el crecimiento y desarrollo del ecosistema puede hacerse incrementando la estructura física (biomasa), incrementando las redes (más ciclos) o incrementando la información incorporada al sistema. Las tres formas de crecimiento implican que el sistema se aleja del equilibrio termodinámico y las tres formas de crecimiento están asociadas con: 6 ¿Cómo circula la energía en los ecosistemas? a. la exergía almacenada en el sistema b. la energía que fluye en el sistema (potencia). Corolario: Además, un ecosistema recibiendo radiación solar intentará maximizar el almacenamiento de energía o la potencia de tal modo que si se le ofrece más de una posibilidad, a largo plazo, se selecciona la que más aleja al sistema del equilibrio termodinámico. La Amazonía colombiana 1. De acuerdo a la anterior información resuelve los interrogantes abordados a través de pequeños grupos de discusión. a. ¿Por qué los lagos y ríos son ecosistemas abiertos? b. ¿Qué componentes interactúan en ese ecosistema? 7 ¿Cómo circula la energía en los ecosistemas? c. ¿Cuál es su principal fuente de energía? d. ¿De qué manera se transfiere esa energía entre sus componentes? e. ¿Cuál es la diferencia entre los ecosistemas acuáticos de los terrestres? 8 ¿Cómo circula la energía en los ecosistemas? f. ¿Por qué la sobrepoblación puede disminuir la tasa de renovación de un ecosistema? Actividad 2: Productividad de ecosistemas acuáticos y terrestres En el mundo actual, la terminología de las ciencias contables ha sido aplicada a la gran mayoría de las ramas de la ciencia y la palabra productividad es casi una exigencia en todos los ámbitos sociales. Hablar de productividad indica un seguimiento, una investigación y un dato inicial numérico. Para medir la productividad de los ecosistemas hay que tener en cuenta el tipo de ecosistemas y los objetivos de la investigación. Para ecosistemas terrestres o acuáticos la productividad se puede medir de distintas formas, todas ellas relacionadas con la cantidad de biomasa o materia viva producida en determinado tiempo por los organismos objeto de estudio. En biología la productividad primaria de los ecosistemas se conoce como producción de materia orgánica que realizan los organismos autótrofos a través de los procesos de fotosíntesis o quimiosíntesis (Figura 4). Algunos de los métodos de medición de productividad primaria más comunes son los siguientes: Para ambientes acuáticos Concentración de Clorofila-a (Cl-a): Es utilizada universalmente como una medida de la biomasa de fitoplancton para ambientes acuáticos y es expresada en gramos de clorofila por litro de agua. Ya que el fitoplancton tiene ciclos cortos de vida que van desde minutos hasta días estos valores pueden cambiar drásticamente de un día para otro, razón por la cual la escala temporal de estos procesos es de gran importancia al momento de recopilar los datos de las investigaciones. Figura 4 . Diferencias en la productividad de los ecosistemas acuáticos y terrestres 9 ¿Cómo circula la energía en los ecosistemas? Método de la botella clara y obscura: Se basa en la producción de oxígeno en una muestra de agua incubada bajo condiciones ambientales, por un determinado periodo de tiempo. Al inicio del experimento se mide la cantidad de oxígeno disuelto en una muestra de agua y luego se divide esa la muestra en dos botellas, una clara donde ocurre la fotosíntesis y una obscura donde solo hay respiración. Al final se mide la cantidad de oxígeno en ambas botellas y la diferencia entre estos valores determina la productividad total. Para ambientes terrestres En el caso de los ambientes terrestres se pueden identificar dos métodos para estimar la productividad de biomasa, los destructivos y los no destructivos. Métodos destructivos: Consisten en cortar un determinado número de muestras de plantas o material vegetal en un área determinada, secarlo en horno o estufa para eliminar así el peso del agua y luego pesarlo. Estas técnicas son confiables ya que se obtiene el peso de manera directa en lugar de estimarlo, pero consumen mucho tiempo y esfuerzo e implican la pérdida de las plantas que se utilizan en los muestreos. Métodos no destructivos: Permiten estimar la productividad primaria neta de manera indirecta mediante variados métodos los cuales son adaptados a cada ecosistema estudiado. DAP: Se utiliza para estimar la cantidad de volumen de madera en un solo árbol o grupo de árboles. También se puede utilizar en la estimación de la edad de los árboles veteranos, dado que incremento en el diámetro es la única “función no reversible constante de crecimiento de los árboles”. En muchos casos, la altura de la persona hace poca diferencia con el diámetro medido en un árbol por lo que es este método es considerado un método estándar. Algunos detractores de este método han propuesto el D130 que es el diámetro a una altura de 130 cm sobre el suelo y a lo largo del tallo. Métodos de estimación de la productividad primaria mediante la utilización de sensores remotos: Se utiliza para estimaciones de productividad primaria a escala regional (medición de áreas grandes) mediante la utilización de fotos satelitales (Figura 5). Figura 5. Medición de productividad mediante sensores remotos 10 ¿Cómo circula la energía en los ecosistemas? Para el caso de los organismos autótrofos podemos determinar dos ambientes donde se desarrollan las plantas y fitoplancton respectivamente: los ecosistemas terrestres y acuáticos. En los ecosistemas acuáticos los organismos se encuentran rodeados de agua y el acceso al agua no es limitante, mientras que en los ambientes terrestres el acceso al agua es una de las principales características limitantes en el desarrollo de una planta. En los ecosistemas acuáticos los organismos fotosintéticos solo pueden habitar las zonas hasta donde pueda llegar la luz, zona que se le denomina fótica y sobre la cual se desarrolla la mayor parte de la biomasa acuática. En cuanto a los nutrientes, en ambos casos son absorbidos del aire o de su sustrato. 1. A continuación encontrarás un cuestionario, responde las preguntas de acuerdo a la información anterior y a la suministrada por tu docente. a. ¿Qué diferencias encuentras entre los organismos que habitan ambientes terrestres de los que habitan ambientes acuáticos? b. ¿Cómo se puede relacionar la producción de oxígeno con la productividad de un ecosistema? 11 ¿Cómo circula la energía en los ecosistemas? Actividad 3: Historieta la resiliencia La Resiliencia Según Walker y et al (2004) en ecología el concepto de resiliencia es la capacidad de un sistema para absorber una perturbación y reorganizarse a medida que se sufren los cambios, de forma que mantenga esencialmente la misma función, estructura, identidad y procesos de retroalimentación. Estas perturbaciones pueden ser: un desastre natural, un incendio o cualquier evento que genere un desequilibrio en el ecosistema. 1. Lee el siguiente texto a manera de historieta, la cual desarrolla los conceptos de resiliencia. dre Cada vez que su ma atención de le hace un llamado asaron varios d as la uerta Chucho se sienta en a lo que sucede de su casa o serv na vez vió como el chico de la izza res ala a so re la cerca viva del ard n maltratando las lores al si uiente llamado de atención ió que las lores esta an intactas como si se hu iesen recu erado del ol e ue o de otro llamado de atención ió a un se or cortando un r ol 12 Chucho se sintió mu triste al ver esto ¿Cómo circula la energía en los ecosistemas? n tiempo desp s al sig iente llamado de atención ió e en el l gar del r ol a ia comen ado a crecer na n eva planta llamados de atención m s tarde otros ención desp s llamados de at ema a ió cómo se a a lo le os na monta ió e la monta a esta a m s verde e n nca Los llamados de atención sirvieron para algo FIN 13 ¿Cómo circula la energía en los ecosistemas? 1. De la siguiente lista escoge un ecosistema y realiza un diagrama que represente el flujo de la energía dentro de él (figura 6). Ubica el dibujo de cada animal debajo de la clasificación para ese ecosistema. a. b. c. d. e. f. Océano Rio Lago Desierto Paramo Pecera Figura 6. Ejemplos de Flujo de Energía 1. Participa del debate cuyo tema central es la utilización de varias hectáreas de bosque amazónico para la producción de soja como solución a la “pobreza de las comunidades indígenas que rodean la zona o la conservación del bosque donde viven varias especies endémicas tanto de plantas como de árboles. El debate girará en torno a la productividad que podría brindar cada opción. ¿Estás a favor o en contra de la utilización de varias hectáreas de bosque amazónico para la producción de soja como “solución a la pobreza de las comunidades indígenas que rodean la zona”, que se opone a la conservación del bosque donde viven varias especies endémicas, plantas como árboles? 2. Para la realización de este punto de la tarea es necesario que con anticipación realices el experimento para que el día de la clase tenga ya un cultivo de algas listo. Práctica de laboratorio Productividad de ambientes acuáticos y terrestres. Materiales a. Agua estancada o de color verdoso b. Agua destilada o hervida c. Abono natural o comercial d. Recipiente de plástico o cristal 14 ¿Cómo circula la energía en los ecosistemas? Procedimiento a. En un recipiente de cristal o plástico pon la muestra de agua estancada y completa su volumen con agua hervida. b. Luego diluye un fertilizante o abono ya sea natural o artificial para plantas, que contenga nitrógeno, sodio y potasio. c. Déjalo expuesto al Sol durante varios días y observa los cambios. d. Si cuentas con microscopio en tu colegio, observa una muestra del agua que utilizaste en el experimento y dibuja lo observado. e. De no contar con un microscopio registra los cambios de color del agua a medida que pasa el tiempo. Entre más verde, mas productividad tendrá el recipiente. 3. Al final de la practica responde los siguientes interrogantes: a. Al observar el crecimiento de un árbol y el crecimiento de la comunidad de algas dentro del recipiente de tu experimento, y saca conclusiones en cuanto a la producción de nuevas células. b. De acuerdo a lo observado, qué crecería más rápido, una comunidad de algas o una comunidad de árboles. c. A que se puede deber esta diferencia en la tasa de renovación de las algas y los árboles. Lista de referencias Cano, J. P. (16 de 03 de 2015). educaplus. Obtenido de Educaplus.org: http://www.educaplus.org/play-111-Constante-el%C3%A1stica-de-un-muelle.html http://www.educaplus.org/play-244-Energ%C3%ADa-potencial-gravitatoria.html Carballo, L. A. (23 de 09 de 2001). Universidad de Sonora Departaemnto de Física . (O. N. Física, Ed.) 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