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Ecología de los ecosistemas

Figura 1. Un bosque ribereño en las Montañas Blancas , Nuevo Hampshire (EE. UU.). La ecología de los ecosistemas es el estudio integrado de los componentes vivos ( bióticos ) y ...

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Figura 1. Un bosque ribereño en las Montañas Blancas , Nuevo Hampshire (EE. UU.).

La ecología de los ecosistemas es el estudio integrado de los componentes vivos ( bióticos ) y no vivos ( abióticos ) de los ecosistemas y sus interacciones dentro del marco ecosistémico. Esta ciencia examina cómo funcionan los ecosistemas y relaciona este funcionamiento con sus componentes, como sustancias químicas , roca madre , suelo , plantas y animales . Los ecólogos de ecosistemas estudian estas relaciones a gran escala, vinculando la diversidad biológica con la sostenibilidad y el funcionamiento de los ecosistemas.

La ecología de los ecosistemas estudia las estructuras físicas y biológicas, así como la interacción entre estas características. En última instancia, esto nos ayuda a comprender cómo mantener agua de alta calidad y una producción de recursos económicamente viable. Un aspecto fundamental de la ecología de los ecosistemas son los procesos funcionales, los mecanismos ecológicos que mantienen la estructura y los servicios que estos proporcionan. Estos incluyen la productividad primaria (producción de biomasa ), la descomposición y las interacciones tróficas .

Los estudios sobre la función de los ecosistemas han mejorado considerablemente la comprensión humana de la producción sostenible de forraje , fibra , combustible y el suministro de agua . [ 1 ] Los procesos funcionales están mediados por el clima , las perturbaciones y la gestión a nivel regional y local . Por lo tanto, la ecología de los ecosistemas proporciona un marco sólido para identificar los mecanismos ecológicos que interactúan con los problemas ambientales globales, especialmente el calentamiento global y la degradación de las aguas superficiales.

Este ejemplo demuestra varios aspectos importantes de los ecosistemas:

  1. Los límites de los ecosistemas suelen ser difusos y pueden fluctuar con el tiempo.
  2. Los organismos dentro de los ecosistemas dependen de procesos biológicos y físicos a nivel del ecosistema.
  3. Los ecosistemas adyacentes interactúan estrechamente y a menudo son interdependientes para el mantenimiento de la estructura de la comunidad y los procesos funcionales que mantienen la productividad y la biodiversidad.

Estas características también plantean problemas prácticos para la gestión de los recursos naturales. ¿Quién gestionará cada ecosistema? ¿La tala de árboles en el bosque afectará la pesca recreativa en el arroyo? Estas preguntas son difíciles de abordar para los gestores de tierras mientras la frontera entre los ecosistemas siga siendo difusa, a pesar de que las decisiones en un ecosistema afectarán al otro. Necesitamos comprender mejor las interacciones e interdependencias de estos ecosistemas y los procesos que los mantienen antes de poder empezar a abordar estas cuestiones.

La ecología de los ecosistemas es un campo de estudio intrínsecamente interdisciplinario. Un ecosistema individual está compuesto por poblaciones de organismos que interactúan dentro de comunidades y contribuyen al ciclo de nutrientes y al flujo de energía . El ecosistema es la principal unidad de estudio en la ecología de los ecosistemas.

La ecología de poblaciones, comunidades y fisiológica proporciona muchos de los mecanismos biológicos subyacentes que influyen en los ecosistemas y los procesos que mantienen. El flujo de energía y el ciclo de la materia a nivel de ecosistema se examinan con frecuencia en la ecología de ecosistemas, pero, en su conjunto, esta ciencia se define más por el tema que por la escala. La ecología de ecosistemas aborda a los organismos y las reservas abióticas de energía y nutrientes como un sistema integrado, lo que la distingue de ciencias afines como la biogeoquímica . [ 2 ]

La biogeoquímica y la hidrología se centran en varios procesos fundamentales de los ecosistemas, como el ciclo químico de nutrientes mediado biológicamente y el ciclo físico-biológico del agua. La ecología de los ecosistemas constituye la base mecanicista de los procesos regionales o globales que abarca la hidrología a escala de paisaje y regional, la biogeoquímica global y la ciencia del sistema terrestre. [ 2 ]

Historia

La ecología de los ecosistemas tiene sus raíces filosóficas e históricas en la ecología terrestre. El concepto de ecosistema ha evolucionado rápidamente durante los últimos 100 años, con importantes ideas desarrolladas por Frederic Clements , un botánico que defendió definiciones específicas de ecosistemas y la idea de que los procesos fisiológicos eran responsables de su desarrollo y persistencia. [ 3 ] Si bien la mayoría de las definiciones de ecosistema de Clements han sido revisadas en gran medida, inicialmente por Henry Gleason y Arthur Tansley , y posteriormente por ecólogos contemporáneos, la idea de que los procesos fisiológicos son fundamentales para la estructura y función de los ecosistemas sigue siendo central para la ecología.

Figura 3. Flujos de energía y materia a través de un ecosistema, adaptado del modelo de Silver Springs. [ 4 ] H son herbívoros, C son carnívoros, TC son depredadores superiores y D son descomponedores. Los cuadrados representan reservas bióticas y los óvalos, flujos de energía o nutrientes del sistema.

Trabajos posteriores de Eugene Odum y Howard T. Odum cuantificaron los flujos de energía y materia a nivel de ecosistema, documentando así las ideas generales propuestas por Clements y su contemporáneo Charles Elton .

En este modelo, los flujos de energía a través de todo el sistema dependían de las interacciones bióticas y abióticas de cada componente individual ( especies , reservas inorgánicas de nutrientes, etc.). Trabajos posteriores demostraron que estas interacciones y flujos se aplicaban a los ciclos de nutrientes , cambiaban a lo largo de la sucesión y ejercían un control poderoso sobre la productividad del ecosistema. [ 5 ] [ 6 ] Las transferencias de energía y nutrientes son inherentes a los sistemas ecológicos, independientemente de si son acuáticos o terrestres. Por lo tanto, la ecología de los ecosistemas ha surgido de importantes estudios biológicos de plantas, animales y ecosistemas terrestres , acuáticos y marinos .

Servicios ecosistémicos

Los servicios ecosistémicos son procesos funcionales mediados ecológicamente, esenciales para el mantenimiento de sociedades humanas saludables . [ 7 ] El suministro y la filtración de agua, la producción de biomasa en la silvicultura , la agricultura y la pesca , y la eliminación de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono (CO 2 ) de la atmósfera son ejemplos de servicios ecosistémicos esenciales para la salud pública y las oportunidades económicas. El ciclo de nutrientes es un proceso fundamental para la producción agrícola y forestal.

Sin embargo, como la mayoría de los procesos ecosistémicos, el ciclo de nutrientes no es una característica del ecosistema que pueda ajustarse al nivel óptimo. Maximizar la producción en sistemas degradados es una solución demasiado simplista a los complejos problemas del hambre y la seguridad económica. Por ejemplo, el uso intensivo de fertilizantes en el medio oeste de Estados Unidos ha provocado la degradación de las pesquerías en el Golfo de México . [ 8 ] Lamentablemente, se ha recomendado una « Revolución Verde » de fertilización química intensiva para la agricultura en países desarrollados y en desarrollo . [ 9 ] [ 10 ] Estas estrategias conllevan el riesgo de alterar procesos ecosistémicos que pueden ser difíciles de restaurar, especialmente cuando se aplican a gran escala sin una evaluación adecuada de los impactos. Los procesos ecosistémicos pueden tardar muchos años en recuperarse de una perturbación significativa. [ 6 ]

Por ejemplo, la tala masiva de bosques en el noreste de Estados Unidos durante los siglos XVIII y XIX alteró la textura del suelo, la vegetación dominante y el ciclo de nutrientes, afectando la productividad forestal actual. [ 11 ] [ 12 ] Es necesario comprender la importancia del funcionamiento de los ecosistemas para el mantenimiento de la productividad, tanto en la agricultura como en la silvicultura, junto con los planes para la restauración de procesos esenciales. Un mayor conocimiento del funcionamiento de los ecosistemas contribuirá a lograr la sostenibilidad y la estabilidad a largo plazo en las zonas más pobres del mundo.

Operación

La productividad de la biomasa es una de las funciones ecosistémicas más evidentes y económicamente importantes. La acumulación de biomasa comienza a nivel celular mediante la fotosíntesis. La fotosíntesis requiere agua y, por consiguiente, los patrones globales de producción anual de biomasa están correlacionados con la precipitación anual. [ 13 ] Los niveles de productividad también dependen de la capacidad general de las plantas para captar la luz solar, la cual está directamente correlacionada con el área foliar y el contenido de nitrógeno.

La productividad primaria neta (PPN) es la principal medida de acumulación de biomasa dentro de un ecosistema. La productividad primaria neta se puede calcular mediante una fórmula sencilla en la que la cantidad total de productividad se ajusta para tener en cuenta las pérdidas totales de productividad debidas al mantenimiento de los procesos biológicos:

PPN = PPB – Productor R
Figura 4. Cambios estacionales y anuales en la concentración de dióxido de carbono (CO₂) ambiental en Mauna Loa, Hawái (Atmósfera) y sobre el dosel de un bosque caducifolio en Massachusetts (Bosque). Los datos muestran claras tendencias estacionales asociadas con períodos de alta y baja PPN y un aumento anual general del CO₂ atmosférico . Los datos se aproximan a los reportados por Keeling y Whorf [ 14 ] y Barford [ 15 ] .

Donde GPP es productividad primaria bruta y R productor es fotosintato ( carbono ) perdido a través de la respiración celular .

La productividad primaria neta (PPN) es difícil de medir, pero una nueva técnica conocida como covarianza de remolinos ha arrojado luz sobre cómo los ecosistemas naturales influyen en la atmósfera. La Figura 4 muestra los cambios estacionales y anuales en la concentración de CO₂ medida en Mauna Loa , Hawái, entre 1987 y 1990. La concentración de CO₂ aumentó de forma constante, pero la variación intraanual ha sido mayor que el incremento anual desde que comenzaron las mediciones en 1957.

Se creía que estas variaciones se debían a la absorción estacional de CO₂ durante los meses de verano. Una técnica recientemente desarrollada para evaluar la PPN de los ecosistemas ha confirmado que las variaciones estacionales están impulsadas por cambios estacionales en la absorción de CO₂ por la vegetación. [ 16 ] [ 15 ] Esto ha llevado a muchos científicos y responsables políticos a especular que los ecosistemas pueden gestionarse para mitigar los problemas del calentamiento global . Este tipo de gestión puede incluir la reforestación o la modificación de los calendarios de cosecha forestal en muchas partes del mundo.

Descomposición y ciclo de nutrientes

La descomposición y el ciclo de nutrientes son fundamentales para la producción de biomasa de los ecosistemas. La mayoría de los ecosistemas naturales están limitados por nitrógeno (N) y la producción de biomasa está estrechamente correlacionada con el recambio de N. [ 17 ] [ 18 ] Por lo general, el aporte externo de nutrientes es muy bajo y el reciclaje eficiente de nutrientes mantiene la productividad. [ 6 ] La descomposición de la hojarasca vegetal representa la mayor parte de los nutrientes reciclados a través de los ecosistemas (Figura 3). Las tasas de descomposición de la hojarasca vegetal dependen en gran medida de la calidad de la hojarasca; una alta concentración de compuestos fenólicos, especialmente lignina , en la hojarasca vegetal tiene un efecto retardador sobre la descomposición de la hojarasca. [ 19 ] [ 20 ] Los compuestos de C más complejos se descomponen más lentamente y pueden tardar muchos años en descomponerse por completo. La descomposición se describe típicamente con una disminución exponencial y se ha relacionado con las concentraciones de minerales, especialmente manganeso, en la hojarasca . [ 21 ] [ 22 ]

Figura 5. Dinámica de la descomposición de la hojarasca vegetal (A) descrita con un modelo exponencial (B) y un modelo combinado exponencial-lineal (C).

A nivel mundial, las tasas de descomposición están mediadas por la calidad de la hojarasca y el clima. [ 23 ] Los ecosistemas dominados por plantas con baja concentración de lignina a menudo tienen tasas rápidas de descomposición y ciclo de nutrientes. [ 24 ] [ 25 ] Los compuestos simples que contienen carbono (C) son metabolizados preferentemente por microorganismos descomponedores , lo que resulta en tasas iniciales rápidas de descomposición, véase la Figura 5A, [ 26 ] modelos que dependen de tasas constantes de descomposición; los llamados valores "k", véase la Figura 5B. [ 27 ] Además de la calidad de la hojarasca y el clima, la actividad de la fauna del suelo es muy importante [ 28 ]

Sin embargo, estos modelos no reflejan los procesos de descomposición lineal y no lineal simultáneos que probablemente ocurren durante la descomposición. Por ejemplo, las proteínas , los azúcares y los lípidos se descomponen exponencialmente, pero la lignina se descompone a una tasa más lineal [ 19 ]. Por lo tanto, la descomposición de la hojarasca se predice de forma imprecisa mediante modelos simplistas [ 29 ] .

Un modelo alternativo sencillo, presentado en la Figura 5C, muestra una descomposición significativamente más rápida que el modelo estándar de la Figura 4B. Una mejor comprensión de los modelos de descomposición es un área de investigación importante en la ecología de los ecosistemas, ya que este proceso está estrechamente ligado al suministro de nutrientes y a la capacidad general de los ecosistemas para capturar CO₂ de la atmósfera.

Dinámica trófica

La dinámica trófica se refiere al proceso de transferencia de energía y nutrientes entre organismos. Es una parte importante de la estructura y función de los ecosistemas. La Figura 3 muestra la energía transferida en un ecosistema de Silver Springs, Florida. La energía obtenida por los productores primarios (plantas, P) es consumida por los herbívoros (H), quienes a su vez son consumidos por los carnívoros (C), que son consumidos por los superdepredadores (TC).

Uno de los patrones más evidentes en la Figura 3 es que, a medida que se asciende a niveles tróficos superiores (es decir, de plantas a carnívoros superiores), la cantidad total de energía disminuye. Las plantas ejercen un control "de abajo hacia arriba" sobre la estructura energética de los ecosistemas al determinar la cantidad total de energía que ingresa al sistema. [ 30 ]

Sin embargo, los depredadores también pueden influir en la estructura de los niveles tróficos inferiores desde arriba hacia abajo. Estas influencias pueden cambiar drásticamente las especies dominantes en los sistemas terrestres y marinos [ 31 ] [ 32 ]. La interacción y la fuerza relativa de los controles de arriba hacia abajo frente a los de abajo hacia arriba sobre la estructura y la función del ecosistema es un área importante de investigación en el campo más amplio de la ecología.

La dinámica trófica puede influir fuertemente en las tasas de descomposición y el ciclo de nutrientes en el tiempo y en el espacio. Por ejemplo, la herbivoría puede aumentar la descomposición de la hojarasca y el ciclo de nutrientes a través de cambios directos en la calidad de la hojarasca y la alteración de la vegetación dominante. [ 33 ] Se ha demostrado que la herbivoría de insectos aumenta las tasas de descomposición y el recambio de nutrientes debido a cambios en la calidad de la hojarasca y un mayor aporte de excrementos . [ 2 ] [ 34 ]

Sin embargo, un brote de insectos no siempre aumenta el ciclo de nutrientes. Stadler [ 35 ] demostró que la melaza rica en C producida durante un brote de pulgones puede aumentar la inmovilización de N por los microbios del suelo, ralentizando así el ciclo de nutrientes y limitando potencialmente la producción de biomasa. Los ecosistemas marinos del Atlántico Norte se han visto muy alterados por la sobrepesca del bacalao. Las poblaciones de bacalao se desplomaron en la década de 1990, lo que provocó un aumento de sus presas, como el camarón y el cangrejo de las nieves [ 32 ]. La intervención humana en los ecosistemas ha dado lugar a cambios drásticos en la estructura y función de los ecosistemas. Estos cambios se están produciendo rápidamente y tienen consecuencias desconocidas para la seguridad económica y el bienestar humano [ 36 ] . Una mayor investigación puede ayudar a aclarar los efectos de los cambios en la biodiversidad sobre la función de los ecosistemas [ 37 ] .

Aplicaciones e importancia

Lecciones de dos ciudades centroamericanas

La biosfera se ha visto profundamente alterada por las demandas de las sociedades humanas. La ecología de los ecosistemas desempeña un papel fundamental en la comprensión y adaptación a los problemas ambientales más acuciantes de la actualidad. La ecología de la restauración y la gestión de los ecosistemas están estrechamente relacionadas con la ecología de los ecosistemas. La restauración de recursos altamente degradados depende de la integración de los mecanismos funcionales de los ecosistemas. [ 38 ] Mediante el uso de estrategias que consideran tanto los objetivos sociales como los ecológicos como objetivos conjuntos, se puede lograr el desarrollo sostenible al considerar la ecología de los ecosistemas desde una perspectiva conjunta, en lugar de dos perspectivas separadas. [ 39 ]

Sin estas funciones intactas, el valor económico de los ecosistemas se reduce considerablemente y pueden surgir condiciones potencialmente peligrosas en el terreno. Por ejemplo, las zonas de las tierras altas montañosas del oeste de Guatemala son más susceptibles a deslizamientos de tierra catastróficos y a graves escaseces estacionales de agua debido a la pérdida de recursos forestales. En contraste, ciudades como Totonicapán , que han preservado los bosques mediante sólidas instituciones sociales, gozan de mayor estabilidad económica local y, en general, de mayor bienestar humano. [ 40 ]

Esta situación resulta llamativa si se tiene en cuenta que estas zonas están cerca unas de otras, la mayoría de sus habitantes son de ascendencia maya y la topografía y los recursos generales son similares. Se trata de dos grupos de personas que gestionan los recursos de maneras fundamentalmente diferentes. La ecología de los ecosistemas proporciona la ciencia básica necesaria para evitar la degradación y restaurar los procesos ecosistémicos que satisfacen las necesidades humanas básicas.

Impactos del cambio climático

El cambio climático influye en la ecología de los ecosistemas al alterar los procesos que los rigen a nivel global. Muchos de estos procesos provocan una disminución de la biodiversidad , lo que reduce el funcionamiento de los ecosistemas. [ 41 ] Las influencias antropogénicas, como las emisiones de gases de efecto invernadero y el cambio en la cobertura del suelo, generan presiones adicionales sobre los ecosistemas, como la fragmentación y la degradación del hábitat. [ 42 ] Otros factores de estrés incluyen cambios en la distribución de las especies y en los eventos de su ciclo de vida. A medida que se exacerban los efectos del cambio climático, estos factores de estrés tendrán un mayor impacto en los ecosistemas de todo el mundo. [ 43 ]

Relación con el enfoque "Una sola salud"

El enfoque "Una Salud" estudia la intersección entre la salud humana, la salud animal y la salud biológica. Por ello, está estrechamente vinculado a la ecología de los ecosistemas. Los ecosistemas saludables pueden prevenir la propagación de enfermedades. [ 44 ] "Una Salud" reconoce que los ecosistemas saludables están conectados con la salud de los seres humanos y los animales, y por lo tanto considera la ecología de los ecosistemas. Una comunicación fluida entre las comunidades y los investigadores de "Una Salud" es esencial para el éxito dentro de un marco más amplio de ecología de los ecosistemas. [ 45 ]

Véase también

Referencias

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