Estructura del ecosistema

La estructura del ecosistema se refiere a la disposición espacial y las interrelaciones entre los componentes de un ecosistema , un tipo específico de sistema .

Las unidades más pequeñas de un ecosistema son los organismos individuales de diversas especies . Estas especies ocupan nichos ecológicos específicos , definidos por un conjunto completo de componentes abióticos y factores bióticos (por ejemplo, interacciones biológicas , competencia intraespecífica y dinámica de manada ). Las poblaciones de diferentes especies que coexisten en la misma área forman una biocenosis , que depende de su hábitat y lo moldea , creando un biotopo . El sistema biocenosis-biotopo evoluciona hacia una comunidad clímax , alcanzando el equilibrio ecológico con una estructura óptima en términos de composición de especies, tamaño de la población y distribución espacial. Un ecosistema equilibrado funciona como un sistema cerrado ( sistema ecológico cerrado ), donde la materia circula a través del flujo de energía externa, típicamente proveniente de la radiación solar ( fotosíntesis ), y se disipa en forma de calor.

La estructura de los ecosistemas experimenta transformaciones graduales. Si las condiciones externas cambian lentamente, el sistema se adapta mediante la adaptación biológica evolutiva . Estas transformaciones han ocurrido a lo largo de la historia de la Tierra, impulsadas por procesos como la lenta deriva continental a través de las zonas climáticas . Los cambios rápidos, ya sean locales (por ejemplo, debido a incendios forestales a gran escala u otros desastres naturales) o globales (por ejemplo, provocados por impactos ), pueden conducir a la destrucción de los ecosistemas. Los cambios inducidos por el ser humano, como la construcción de estructuras hidráulicas, carreteras o la contaminación del agua y el suelo, ocurren demasiado rápido para que la sucesión ecológica natural pueda adaptarse.

Un sistema (del griego: σύστημα systema , que significa "cosa compuesta") es una disposición de elementos interconectados por relaciones que forman su estructura. ^{[ 1 ]} Estas relaciones específicas permiten que el sistema realice una función de orden superior. La complejidad de un sistema está determinada por el número de componentes y el tipo y número de relaciones entre ellos, que dictan los posibles estados que el sistema puede asumir. ^{[ 2 ]}

Un ecosistema es un sistema compuesto por organismos vivos que son interdependientes ( biocenosis ) y dependen de componentes no vivos ( biotopo ). ^{[ 3 ]} Las interacciones características distinguen a los ecosistemas de los "sistemas bióticos", segmentos de la biosfera donde coexisten organismos de diferentes especies, pero que carecen de la red específica de relaciones necesaria para un sistema cerrado y estable. ^{[ 3 ]}

En sistemas con pocos componentes seleccionados al azar (por ejemplo, un acuario o un invernadero ), es improbable lograr el equilibrio ecológico. ^{[ 4 ] [ 5 ]} El primer intento de crear y operar un ecosistema artificial grande y multiespecie, Biosfera 2 , se llevó a cabo en Arizona en la década de 1980 con ocho personas durante dos años. ^{[ 6 ]} Estudios similares continúan a menor escala, particularmente para los planes de exploración espacial de EE. UU., como las bases en Marte. ^{[ 5 ] [ 7 ] [ 8 ]}

Para abordar dónde se encuentran los organismos y en qué cantidades, se supone que el sistema de la biosfera comprende numerosos subsistemas: ecosistemas más pequeños con tamaños y estructuras variadas, más fáciles de describir formalmente (lo que permite el modelado matemático). Cada subsistema consta de dos componentes principales: ^{[ 19 ] [ 20 ]}

• Biocenosis: el conjunto de todas las poblaciones que habitan un hábitat.
• Biotopo: todos los factores abióticos (por ejemplo, tipo de suelo, acceso a recursos hídricos, insolación).

Within each ecosystem, matter cycles through external energy input. In a balanced ecosystem, the same amount of energy is released to the environment after flowing through the system.^[20] Regulation of these processes, tied to changes in population abundance and distribution, is facilitated by three overlapping structural types of biocoenosis:^[20]

• First-order structure (trophic) – food-based relationships (based on Elton's concept of "structural elements"), forming food chains, food webs, and ecological pyramids.
• Second-order structure (competitive) – occurring within complex biocenoses where species with similar dietary needs compete.
• Third-order structure (paratrophic) – non-exploitative food relationships where the donor's resources are not depleted (e.g., melitophagy, allelopathy).

Ecosystem structure's smallest elements are individual living organisms, ranging from unicellular organisms to multicellularcolonies and highly organized organisms. Explaining organism-environment relationships (other organisms and biotope) was traditionally part of autecology, now encompassed by species ecology.^[21] Studies of anatomy, physiology, and genetic traits are relevant only to the extent needed to understand an organism's relationship with its environment, such as defining its ecological niche, mechanisms of forming larger groups (e.g., plant formations, communities, herds), geographic range, or the role of energy balance in the energy economy of larger organism groups.^[21]

The next level of ecosystem organization is the population, defined as a group of organisms of the same species within a biocoenosis occupying a specific biotope.^[22] Key characteristics of a population's ecological structure, observed in natural or laboratory settings, include:^[21][23]

• Abundance, fertility, reproduction rate, mortality, survivorship curve.
• Population density and its temporal variation.
• Spatial structure, e.g., uniform, linear, or clumped distribution, vertical structure.
• Age and sex structure.
• Social structure (e.g., social insects, parabiosis, herd, social systems of birds, African buffalo, tigers, sociology).
• Population dynamics.^[24]
• Population energetics.^[24]

Las biocenosis son sistemas bióticos que comprenden múltiples poblaciones que coexisten en un biotopo, formando un ecosistema. Las biocenosis se distinguen en función de varios criterios, idealmente caracterizados por: ^{[ 20 ]}

• Una composición de especies específica con tamaños de población relativamente estables, adaptada a las condiciones del hábitat y predominante en un paisaje determinado.
• Una composición completa para el ciclo de la materia y la energía.
• Alta durabilidad (longevidad).
• Límites definibles, basados ​​en la composición de especies o en el análisis de factores ambientales.

Estos criterios no son absolutos, ya que estos sistemas experimentan cambios naturales a lo largo del tiempo y el espacio, como cambios estacionales, ^{[ 25 ]} la introducción de especies invasoras ^{[ 26 ]} o especies introducidas , o procesos de sucesión ecológica a largo plazo. Por ejemplo, la sucesión puede comenzar con especies pioneras que colonizan un entorno estéril (p. ej., una isla recién formada), alterando gradualmente el hábitat (p. ej., mediante la formación del suelo ) para permitir la colonización por especies posteriores y el establecimiento de relaciones interespecíficas. La sucesión concluye con una comunidad clímax : una biocenosis y estructura de ecosistema relativamente estables. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]}

Debido a los límites a menudo poco claros entre los ecosistemas, se utiliza el concepto de ecotono , una zona de transición típicamente rica en especies y de ancho variable (por ejemplo, entre la tundra y la taiga , la costa, el borde del bosque o el margen de un campo). ^{[ 30 ] [ 31 ]}

La abundancia y distribución de cada población en un ecosistema están determinadas por los rasgos de las especies, las características del biotopo y las interacciones con otras poblaciones. Estas interacciones incluyen: ^{[ 32 ] [ 33 ]}

• No antagónicos – simbiosis ( mutualismo , protocooperación ), comensalismo .
• Antagónico – competencia , parasitismo , depredación , alelopatía , amensalismo .

Neutralism – the absence of interactions – is rare. Strong antagonistic interactions involve population exploitation, including human exploitation of nature.^{[33][34][35][36]}

Food chains and food webs

The first link in every food chain consists of autotrophic populations, essential to all ecosystems. These organisms produce organic compounds from inorganic ones using external energy, primarily solar radiation (photoautotrophs, photosynthetic organisms) or chemical reaction energy (chemoautotrophs, e.g., producers in hydrothermal vent ecosystems).^[20] The rate of biomass production (primary net productivity) depends on the total energy converted by plants into chemical energy (biomass, A – assimilation) minus their own "maintenance costs" (R – respiration). The difference (P = A – R) is the net productivity. In a simple food chain, part of this biomass increment feeds primary consumers (e.g., larvae of the European peacock butterfly).^[20] For these consumers, consumed energy (C) is partly used for maintenance, partly for biomass growth, and partly excreted (fecal matter, FU). This energy partitioning continues through subsequent food chain links (e.g., peacock butterfly larvae → great tit (primary predator) → domestic cat (secondary predator)). Waste and detritus from each link are energy sources for decomposers, closing the matter cycle by breaking down organic matter into inorganic compounds.^[20][37]

In real ecosystems, energy transfer pathways are more complex. Resources from producers are used not only by primary consumers, and top predators may feed on multiple lower trophic levels. Complex biocenoses with many populations are characterized by intricate food webs. High biodiversity ensures that the removal of a species exceeding its tolerance range does not permanently disrupt energy flow, as alternative pathways become more active.^[32][38][39]

Los niveles superiores de organización de la biosfera incluyen: ^{[ 37 ]}

• Paisaje.
• Biomas .
• Reinos biogeográficos: reinos zoogeográficos y reinos fitogeográficos .

El conocimiento de las estructuras y dinámicas de los ecosistemas se aplica en: ^{[ 22 ]}

• Gestión de los recursos naturales, por ejemplo, agricultura, silvicultura, caza, pesca (base para la explotación racional de la población). ^{[ 40 ]}
• Conservación de la naturaleza .
• Protección del medio ambiente para los entornos humanos.

La protección eficaz de la biosfera y los ecosistemas requiere: ^{[ 41 ]}

• Planificación espacial a escala global para proteger ecosistemas de importancia mundial.
• Protección de la biodiversidad, incluida la diversidad de especies.
• Establecer normas y límites para la intervención humana en la naturaleza con el fin de mantener la dinámica de los ecosistemas.
• Esfuerzos para reducir el impacto humano en los componentes ambientales abióticos.

• Krebs, Charles J. (2011). Ecología. Eksperymentalna analiza rozmieszczenia i liczebności [ Ecología: el análisis experimental de la distribución y la abundancia ] (en polaco). Traducido por Kozakiewicz, Anna; Kozakiewicz, Michał; Szacki, Jakub (4ª  ed.). Varsovia: Wydawnictwo Naukowe PWN. ISBN 978-83-01-16552-9.
• Weiner, enero (2003). Biosfera de Życie i ewolucja. Podręcznik ekologii ogólnej [ Vida y evolución de la biosfera: un libro de texto de ecología general ] (en polaco). Varsovia: Wydawnictwo Naukowe PWN. ISBN 83-01-14047-X.
• Troyano, Przemysław (1985). Ekologia ogólna [ Ecología general ] (en polaco). Varsovia: Państwowe Wydawnictwo Naukowe. ISBN 83-01-02275-2.