Eficiencia ecológica

La eficiencia ecológica es la eficiencia con la que se transfiere energía de un nivel trófico al siguiente. Está determinada por una combinación de eficiencias relacionadas con la adquisición y asimilación de recursos por parte de los organismos en un ecosistema .

La producción primaria se produce en los organismos autótrofos de un ecosistema . Los fotoautótrofos , como las plantas vasculares y las algas, convierten la energía del sol en energía almacenada en forma de compuestos de carbono . La fotosíntesis se lleva a cabo en la clorofila de las plantas verdes. La energía convertida mediante la fotosíntesis se transmite a través de los niveles tróficos de un ecosistema a medida que los organismos consumen a los miembros de niveles tróficos inferiores.

La producción primaria se puede dividir en producción primaria bruta y neta. La producción primaria bruta mide la energía que un fotoautótrofo obtiene del sol. Por ejemplo, una brizna de hierba absorbe x julios de energía solar. La fracción de esa energía que se convierte en glucosa refleja la productividad bruta de la brizna. La energía restante después de la respiración se considera la producción primaria neta. En general, la producción bruta se refiere a la energía contenida en un organismo antes de la respiración y la producción neta a la energía después de la respiración. Estos términos se pueden usar para describir la transferencia de energía tanto en autótrofos como en heterótrofos .

La transferencia de energía entre niveles tróficos es generalmente ineficiente , de modo que la producción neta en un nivel trófico suele ser solo el 10% de la producción neta en el nivel trófico precedente (la ley del diez por ciento ). Debido a la muerte no depredadora, la egestión y la respiración celular , una cantidad significativa de energía se pierde en el medio ambiente en lugar de ser absorbida para la producción por los consumidores. La figura se aproxima a la fracción de energía disponible después de cada etapa de pérdida de energía en un ecosistema típico, aunque estas fracciones varían mucho de un ecosistema a otro y de un nivel trófico a otro. La pérdida de energía por un factor de la mitad en cada una de las etapas de muerte no depredadora, defecación y respiración es típica de muchos sistemas vivos. Por lo tanto, la producción neta en un nivel trófico es${\displaystyle 1/2*1/2*1/2=1/8}$o aproximadamente el diez por ciento del nivel trófico anterior.

Por ejemplo, supongamos que el nivel trófico 1 produce 500 unidades de energía. La mitad de esta se pierde por muerte no depredadora, mientras que la otra mitad (250 unidades) es ingerida por el nivel trófico 2. La mitad de la cantidad ingerida se expulsa mediante la defecación , dejando la otra mitad (125 unidades) para ser asimilada por el organismo. Finalmente, la mitad de la energía restante se pierde por respiración, mientras que el resto (63 unidades) se utiliza para el crecimiento y la reproducción. Esta energía gastada en crecimiento y reproducción constituye la producción neta del nivel trófico 1, que es igual a${\displaystyle 500*1/2*1/2*1/2=63}$unidades.

La eficiencia ecológica es una combinación de varias eficiencias relacionadas que describen la utilización de los recursos y el grado en que estos se convierten en biomasa . ^{[ 1 ]}

• La eficiencia de explotación es la cantidad de alimento ingerido dividida por la cantidad de producción de presas (${\displaystyle I_{n}/P_{n-1}}$)
• La eficiencia de asimilación es la cantidad de asimilación dividida por la cantidad de alimento ingerido (${\displaystyle A_{n}/I_{n}}$)
• La eficiencia de la producción neta es la cantidad de producción del consumidor dividida por la cantidad de asimilación (${\displaystyle P_{n}/A_{n}}$)
• La eficiencia de producción bruta es la eficiencia de asimilación multiplicada por la eficiencia de producción neta , que es equivalente a la cantidad de producción del consumidor dividida por la cantidad de ingestión (${\displaystyle P_{n}/I_{n}}$)
• La eficiencia ecológica es la eficiencia de explotación multiplicada por la eficiencia de asimilación multiplicada por la eficiencia de producción neta, que es equivalente a la cantidad de producción del consumidor dividida por la cantidad de producción de presas (${\displaystyle P_{n}/P_{n-1}}$)

En teoría, es fácil calcular la eficiencia ecológica utilizando las relaciones matemáticas anteriores. Sin embargo, a menudo resulta difícil obtener mediciones precisas de los valores involucrados en el cálculo. Evaluar la ingestión, por ejemplo, requiere conocer la cantidad total de alimento consumido en un ecosistema , así como su contenido calórico . Dicha medición rara vez es mejor que una estimación fundamentada, especialmente en relación con ecosistemas que son en gran medida inaccesibles para los ecólogos y las herramientas de medición. Como resultado, la eficiencia ecológica de un ecosistema a menudo no es mejor que una aproximación. Por otro lado, una aproximación puede ser suficiente para la mayoría de los ecosistemas, donde lo importante no es obtener una medida exacta de la eficiencia, sino más bien una idea general de cómo se mueve la energía a través de sus niveles tróficos .

En entornos agrícolas, maximizar la transferencia de energía del productor (alimentos) al consumidor ( ganado ) puede generar beneficios económicos. Ha surgido un subcampo de la ciencia agrícola que explora métodos para monitorear y mejorar la eficiencia ecológica y otros aspectos relacionados.

Al comparar la eficiencia neta de utilización de energía por el ganado, las razas históricamente criadas para la producción de carne , como la Hereford , superaron a las criadas para la producción lechera , como la Holstein, en la conversión de energía del alimento en energía almacenada en los tejidos. ^{[ 2 ]} Esto se debe a que el ganado de carne almacena más grasa corporal que el ganado lechero, ya que el almacenamiento de energía en forma de proteína fue similar en ambas razas. Esto implica que la cría de ganado para el sacrificio es un uso más eficiente del alimento que la cría para la producción de leche.

Si bien es posible mejorar la eficiencia del uso de la energía por parte del ganado, para abordar la cuestión alimentaria mundial es fundamental considerar también las diferencias entre la ganadería y la agricultura vegetal. La concentración calórica en los tejidos grasos es mayor que en los tejidos vegetales, lo que provoca que los organismos ricos en grasas presenten una mayor concentración energética; sin embargo, la energía necesaria para cultivar alimento para el ganado solo se convierte parcialmente en células grasas. El resto de la energía empleada en el cultivo del alimento es excretada o respirada por el ganado y no puede ser utilizada por los seres humanos.

De un total de 28.400 teravatios-hora (96,8 × 10 ^ ¹⁵ BTU ) de energía utilizada en EE. UU. en 1999, el 10,5 % se utilizó en la producción de alimentos, ^{[ 3 ]} con el porcentaje considerando los alimentos de los niveles tróficos de productores y consumidores primarios . Al comparar el cultivo de animales con el de plantas, hay una clara diferencia en la magnitud de la eficiencia energética. Las kilocalorías comestibles producidas a partir de las kilocalorías de energía requeridas para el cultivo son: 18,1 % para el pollo , 6,7 % para la carne de res alimentada con pasto, 5,7 % para el salmón de cultivo y 0,9 % para el camarón . En contraste, las papas rinden 123 %, el maíz produce 250 % y la soja resulta en 415 % de las calorías de entrada convertidas en calorías que pueden ser utilizadas por los humanos. ^{[ 4 ]} Esta disparidad en la eficiencia refleja la reducción en la producción al ascender en los niveles tróficos. Por lo tanto, es más eficiente energéticamente formar una dieta a partir de niveles tróficos inferiores. 

La ley del diez por ciento de transferencia de energía de un nivel trófico al siguiente se atribuye a Raymond Lindeman (1942), ^{[ 5 ]} aunque Lindeman no la denominó "ley" y citó eficiencias ecológicas que oscilaban entre el 0,1% y el 37,5%. Según esta ley, durante la transferencia de energía orgánica de los alimentos de un nivel trófico al siguiente nivel superior, solo alrededor del diez por ciento de la energía transferida se almacena como tejido . El resto se pierde durante la transferencia, se descompone en la respiración o se pierde por digestión incompleta en el nivel trófico superior.

Los ambientes marinos presentan algunas diferencias con respecto a los ambientes terrestres, y la eficiencia de transferencia entre los niveles tróficos marinos es generalmente mayor. En comparación con la eficiencia de transferencia del 10 % en el ambiente terrestre sugerida por la "ley del diez por ciento", la eficiencia de transferencia entre los productores primarios marinos (fitoplancton) y los consumidores primarios (zooplancton herbívoro) se estima en alrededor del 20 %. El fitoplancton marino tiene mayor contenido de proteínas y contiene menos celulosa indigerible en comparación con las plantas terrestres, lo que deja más biomasa disponible para ser incorporada al siguiente nivel trófico. De hecho, menos del 15 % de la producción de plantas terrestres es consumida por herbívoros, lo que deja gran parte de ella para entrar en el ciclo de descomposición microbiana. ^{[ 6 ]}

Otra métrica útil para introducir es la relación producción/biomasa (P/B), que describe la renovación del material vegetal por año. En los ambientes marinos, el fitoplancton crece rápidamente y es consumido casi de inmediato; esto se evidencia en el hecho de que la biomasa del fitoplancton puede renovarse entre 100 y 300 veces por año. Las plantas terrestres, por otro lado, crecen lentamente y gastan gran parte de la energía derivada de la producción primaria en su propia respiración, lo que resulta en relaciones P/B mucho menores, de entre 0,5 y 2,0. ^{[ 6 ]}

La producción secundaria en el mar también tiende a ser más eficiente, con una eficiencia de transferencia entre niveles tróficos de hasta un 15 %. Parte de esta diferencia se explica por los menores requerimientos energéticos de los organismos marinos en comparación con sus homólogos terrestres. La mayoría de los animales marinos son de sangre fría y gastan poca energía en la regulación de la temperatura. Además, la locomoción es más eficiente en el medio marino; los organismos marinos se benefician de vivir en un líquido flotante, gastan mucho menos esfuerzo contrarrestando la gravedad y pueden dejarse llevar por la corriente y nadar, en lugar de caminar o volar. Los animales marinos también se reproducen en masa y gastan poca energía en el cuidado de sus crías. ^{[ 6 ]}

Además, el conocimiento del número de niveles tróficos en una cadena alimentaria marina determinada puede utilizarse para predecir el tamaño y la biomasa de los depredadores de nivel superior. Los productores primarios en las zonas oceánicas abiertas, pobres en nutrientes, suelen ser muy pequeños, y los depredadores de nivel superior son incapaces de alimentarse directamente de ellos. Esto requiere organismos intermediarios de tamaño creciente para convertir a esos pequeños organismos en presas lo suficientemente grandes como para ser consumidas. Por otro lado, las zonas costeras y ricas en nutrientes suelen tener grandes diatomeas formadoras de cadenas como productores primarios predominantes, y los peces y el zooplancton a veces son capaces de alimentarse directamente de ellas. Esto reduce la longitud de la cadena alimentaria y las correspondientes pérdidas de energía trófica. Las zonas de afloramiento costero pueden tener tan solo tres niveles tróficos y sustentar organismos de nivel superior tan grandes como las ballenas. Por el contrario, las zonas oceánicas abiertas pueden tener hasta seis niveles tróficos y sustentar pequeños atunes y calamares en la cima de la red alimentaria. ^{[ 6 ]}

• Ecoeficiencia : la eficiencia económica con la que la sociedad humana utiliza los recursos ecológicos.