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==[[PRIMERA UNIDAD: ¿CÓMO SE EXPLICA EL ORIGEN, EVOLUCIÓN Y DIVERSIDAD DE LOS SISTEMAS BIOL

SEGUNDA UNIDAD: ¿CÓMO INTERACTÚAN LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS CON SU AMBIENTE Y SU RELACIÓN CON LA CONSERVACIÓN DE LA BIODIVERSIDAD

Introducción.

Un ecosistema es la unidad funcional en la cual la energía y los nutrimentos fluyen entre el medio físico (abiótico) y una comunidad de organismos (medio biótico). Los componentes abiótico y biótico interactúan entre si produciendo una interdependencia compleja que mantiene al ecosistema en un “equilibrio natural”. Una alteración pequeña en uno de los factores puede romper este equilibrio y causar una perturbación en todo el ecosistema.

Es fácil darnos cuenta como los factores abiótico pueden influir en la comunidad biótica; frecuentemente las bajas o altas temperaturas matan a muchos organismos, también lo causa un incendio en el bosque, o un ciclón que destruye los árboles en una selva. Pero en realidad la relación es en ambos sentidos y, los organismos pueden producir cambios en el medio abiótico, así como también el medio abiótico los afecta a ellos. Por ejemplo, la atmósfera terrestre originalmente no tenía oxígeno libre, pero cuando aparecieron los primeros organismos fotosintéticos empezaron a producir oxígeno que gradualmente fue suministrado a la atmósfera y, de esta manera, los organismos fotosintéticos alteraron las condiciones primitivas de la atmósfera en forma tan drástica que el oxígeno pasó de ser inexistente en forma libre en la atmósfera a una concentración actual de 21 por ciento.

Las plantas también contribuyen a modificar el ambiente mediante la formación y fertilidad del suelo; las selvas densas regulan la humedad ambiental, la temperatura y la cantidad de luz que puede alcanzar el suelo.

Con pocas excepciones los ecosistemas obtienen la energía del Sol. Las plantas y otros organismos fotosintéticos (autótrofos) capturan la energía solar y la utilizan para formar moléculas orgánicas a partir de materia inorgánica simple. Los autótrofos son los organismos que por medio de la fotosíntesis o quimiosíntesis fabrican alimento y energía para todo ecosistema, por lo cual se les conoce como productores. Todos los demás organismos en el ecosistema son heterótrofos (no elaboran su propio alimento), ya que obtienen la energía de los compuestos que fueron elaborados por los productores. Los organismos que se alimentan a partir de los tejidos de otros organismos se llaman consumidores. Los herbívoros (consumidores primarios) comen plantas, los carnívoros (consumidores secundarios) se alimentan de otros animales, los parásitos, vivan o no sobre el hospedero, obtienen su energía de él. Los desintegradores, principalmente hongos y bacterias, obtienen su energía rompiendo compuestos orgánicos producto del desecho de organismos muertos.

Los autótrofos (productores) utilizan agua y dióxido de carbono (como fuentes de carbono, oxígeno e hidrógeno) y sales minerales, incluyendo a nitrógeno y fósforo y, con ellos forman carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Después cuando los desintegradores utilizan la materia orgánica para su metabolismo, producen como desecho moléculas inorgánicas sencillas, que si no son arrastradas del suelo por las lluvias o el viento, pueden ser usadas nuevamente por los productores, y de esta manera reciclarlos en el ecosistema.

Tabla 1.1 Organización de la cadena alimentaria.

Los componentes abióticos incluyen energía, sustancias inorgánicas y el sustrato y/o medio en el cual viven. Los elementos químicos que forman las moléculas inorgánicas sencillas son los factores químicos del ecosistema, los factores físicos son la lluvia, energía calorífica, viento y cualquier otro tipo de energía.

Niveles de organización ecológica: población, comunidad, ecosistema, bioma y biosfera.

Es bien sabido que a partir del individuo existen dos estratos: el que incluye los niveles de organización inferiores o anatómicos como tejidos, órganos, aparatos y sistemas en los organismos pluricelulares; y el que incluye los niveles de organización superiores o ecológicos, como son la población, la comunidad y el ecosistema. El concepto de ecosistema aún es más amplio que el de comunidad porque un ecosistema incluye, además de la comunidad, el ambiente no vivo, con todas las características de clima, temperatura, sustancias químicas presentes, condiciones geológicas, etc. El ecosistema estudia las relaciones que mantienen entre sí los seres vivos que componen la comunidad, pero también las relaciones con los factores no vivos.

Tabla 1.2 Niveles de organización de los seres vivos. Archivo:Organización niveles.jpg

Archivo:Niveles de organización 1.jpg Archivo:Niveles de organización 2.jpg Figura 1.1 Niveles de organización en la naturaleza.

Acerca de las Propiedades Emergentes

El desarrollo del Método Científico aunado al diseño de aparatos y técnicas que nos permiten estudiar la materia hasta sus componentes más ínfimos (los átomos), desde finales del siglo XIX trajeron como consecuencia una supuesta dicotomía de la filosofía con que los científicos realizan el estudio de los seres vivos. En efecto, un grupo de científicos enfocó el estudio de los fenómenos vitales desmantelando los organismos hasta sus unidades más pequeñas y considerando que los datos así obtenidos permitirían explicar el proceso de la vida; dicho grupo, denominado “mecanicista” o “reduccionista”, entró en pugna con los llamados “vitalistas”, quienes mantienen que la vida, y solamente la vida, tiene un algo especial, que siempre está fuera del alcance de la física y la química. Como afirma Stephen Jay Gould en su libro La Sonrisa del Flamenco. Según estas visiones de la vida, uno es, de acuerdo con la opinión de sus adversarios, bien un mecanicista sin corazón o un vitalista místico.

La posición intermedia mantiene que la vida, como resultado de su complejidad estructural y funcional, no puede descomponerse en sus productos químicos y explicarse en su totalidad por medio de las leyes de la química y la física que operan a nivel molecular. Asimismo, el camino intermedio niega que este defecto del reduccionismo represente una propiedad mística de la vida, alguna especie de chispa especial inherente tan solo a la vida. Los biólogos actuales suponen que la vida adquiere sus propios principios de la estructura jerárquica de la naturaleza. Al ir aumentando los niveles de complejidad a lo largo de la jerarquía de átomo, molécula, célula, tejido, organismo, población comunidad, etc, aparecen nuevas propiedades como resultado de las interacciones e interconexiones que emergen en cada nuevo nivel. Un nivel superior que no puede explicarse por completo descomponiéndolo en sus elementos básicos y estudiando sus propiedades en ausencia de tales interacciones. Así pues, surgen principios nuevos o “emergentes”, capaces de abarcar la complejidad de la vida; estas propiedades emergentes son adicionales y consistentes respecto a la física y la química de la materia. Así, tenemos que por ejemplo, éstas tienen propiedades que no pueden ser estudiadas aisladamente a partir de sus elementos constitutivos (los individuos), sino únicamente al estudiarse la población como tal.

Dicho lo anterior, mencionaremos que en este texto seguimos este camino intermedio, también llamado “holístico” u “organizativo”.

Población

Puede definirse la población como un grupo de organismos de la misma especie que presenta interacciones tanto genéticas como ecológicas y que ocupan un área determinada en un mismo lapso. Posee características y funciones más bien del grupo en su totalidad que de cada uno de los individuos, como son: tamaño, densidad de población, frecuencia de nacimientos y defunciones, distribución por edades, estructura de edades, ritmo, de dispersión, potencial biótico y forma de crecimiento. Si bien los individuos nacen y mueren, los índices de natalidad y mortalidad no son característicos del individuo sino de la población global. El tamaño de la población se refiere al número de individuos que contribuyen a la poza génica de la población.

Una característica importante es la estructura de edades, que se refiere al número de individuos colocados dentro de tres categorías: prerreproductivos, reproductivos y posreproductivos. Como cada individuo se reproduce solo en una parte de su vida, la edad de los miembros de la población puede ser utilizada para predecir la tasa de natalidad. El número de individuos de cierta edad y sexo se utiliza para formar la estructura de edad-sexo. Cuando una porción de los individuos se encuentra en la etapa reproductiva o son muy jóvenes, la estructura tiende a formar una pirámide. La base ancha de la misma indica que la población tiende a un crecimiento rápido, pues un número importante de individuos de la edad prerreproductiva pasarán pronto a la edad reproductiva. (Figura 1.2)

Archivo:Edades estructura.jpg Figura 1.2 y Figura 1.3

Por otro lado, una pirámide invertida (figura 1.3) indica que la población declinará porque los individuos en la edad reproductiva pasarán a la edad posreproductiva y ya no producirán más crías. Los de la edad prerreproductiva, por ser muy pocos, aunque alcancen la madurez y lleguen a la edad reproductiva no son suficientes para producir un número elevado de descendientes. La gráfica en la que se inscribe el número de organismos en función del tiempo es llamada curva de crecimiento de población. Tales curvas son características de las poblaciones, no de especies aisladas, y sorprende su similitud entre las poblaciones de casi todos los organismos desde las bacterias hasta el hombre.

La tasa de nacimientos o natalidad, de una población es simplemente el número de nuevos individuos producidos por unidad de tiempo. La tasa de natalidad máxima es el mayor número de organismos que podrían ser producidos por unidad de tiempo en condiciones ideales, cuando no hay factores limitantes.

La mortalidad se refiere a los individuos que mueren por unidad de tiempo. Hay una mortalidad mínima teórica, la cual es el número de muertes que ocurrirían en condiciones ideales, consecutivas exclusivamente a las alteraciones fisiológicas que acompañan el envejecimiento. Disponiendo en gráfica el número de supervivientes de una población contra el tiempo se obtiene la curva de supervivencia. De esas curvas puede deducirse el momento en que una especie particular es más vulnerable. Como la mortalidad es más variable y más afectada por los factores ambientales que la natalidad, estos tienen una enorme influencia en la regularización del número de individuos de una población.

Los ecólogos emplean el término potencial biótico o potencial reproductor para expresar la facultad privativa de una población para aumentar en número, cuando sea estable la proporción de edades y óptimas las condiciones ambientales. Cuando el ambiente no llega a ser óptimo, el ritmo de crecimiento de la población es menor, y la diferencia entre la capacidad potencial de una población para crecer y lo que en realidad crece es una medida de la resistencia del ambiente.

La densidad es el número de individuos que habitan en una unidad de superficie o de volumen, por ejemplo el número de árboles por kilómetro cuadrado en un bosque o el número de peces de una determinada especie por metro cúbico en un lago. La densidad total se puede estimar realizando un muestreo que consiste en contar el número de individuos en un área pequeña, seleccionada al azar, y extrapolar para conocer el total; la distribución se refiere al patrón en el cual los individuos de una población se distribuyen a través de su hábitat. Algunos parámetros que influyen en la densidad poblacional son la natalidad, mortalidad, emigración e inmigración, siendo la primera y la última responsables de un aumento, y las otras dos, responsables de decremento poblacional como se muestra en el siguiente cuadro:

Figura 1.4 Representa los efectos positivos de la natalidad y la inmigración sobre la densidad de población, así como los efectos negativos de la emigración y mortalidad.

La densidad absoluta de una población es muy difícil de cuantificar en el campo, por lo que siempre se tienen únicamente estimaciones; no obstante, cualquiera que sea nuestra estimación de la densidad, este parámetro nos da una idea de la capacidad de colonización de un hábitat que tiene una especie, así como su éxito en ese hábitat en particular. Las poblaciones se incrementan a través de la natalidad, la cuál consideraremos como un concepto amplio que describe la producción de individuos nuevos por alumbramiento, eclosión, germinación o bipartición. Como un concepto más aplicable a la dinámica poblacional emplearemos el índice de natalidad.

El índice de natalidad puede expresarse como el número de organismos nacidos por hembra por unidad de tiempo. La medición de este índice depende ampliamente del tipo de organismo en estudio. Algunas especies se aparean una vez al año, otras lo hacen varias veces en el mismo período y otras se aparean continuamente. Algunas producen muchas semillas o huevos mientras que otras producen unos cuantos. Por ejemplo, una sola ostra puede producir de 55 a 114 millones de huevos. Los peces comúnmente depositan huevos por miles, las ranas por cientos. Las aves usualmente ponen entre 1 y 20 huevos, y los mamíferos raramente tienen camadas de mas de 10 crías y más usualmente tienen una o dos crías. La fecundidad es inversamente proporcional a la cantidad de cuidado que los padres dan a los jóvenes.

Mortalidad. Los biólogos se interesan no sólo en por qué un organismo muere, sino también en por qué murió a esa edad determinada. Existen dos tipos de longevidad: la longevidad fisiológica y la longevidad ecológica. La longevidad fisiológica puede ser definida como el promedio de la longevidad de los individuos en una población que vive en condiciones óptimas; en otras palabras, el organismo muere de vejez. Por otra parte, la longevidad ecológica, es la longevidad empírica promedio de los individuos de una población viviendo bajo ciertas condiciones. Aquí, la distinción se basa en el hecho de que en la naturaleza sólo unos pocos individuos llegan a la vejez. La mayoría de ellos son muertos por depredadores, enfermedades y otras eventualidades mucho antes de que envejezcan.

Proporción de sexos. La proporción de sexos es otra de las propiedades emergentes de la población; y esta se define como la proporción de machos en una población. La proporción de sexos puede distinguirse de 4 maneras: la proporción de sexos primaria es aquélla presente en el momento de la fecundación; la secundaria se calcula a partir del final del cuidado parental; la proporción de sexos terciaria se refiere a la de los individuos que han obtenido recientemente la independencia pero no se reproducen y la cuaternaria es la de los adultos fértiles.

La proporción de sexos cuaternaria es la más importantes para el futuro de la población, ya que si se trata de una especie monógama, cualquier desviación de la proporción 1:1 implicará que algunos individuos no se reproducirán, empobreciendo genéticamente a la siguiente generación. No obstante, si la especie es polígama, no resulta desfavorable si el número de machos es menor al de hembras, ya que un solo macho puede aparearse con varias hembras y se producirá una cantidad de crías semejante al caso de que la proporción de sexos fuese 1:1.

Comunidad

El tipo de lugar donde normalmente encontramos individuos de una especie en particular se conoce como hábitat. El hábitat de cualquier organismo se caracteriza por sus factores físicos y químicos, pero también por la presencia de otras especies que viven en el mismo lugar. Directa o indirectamente las poblaciones de cada una de las especies en un hábitat se asocian unas con otras formando comunidad, por tanto, ésta se define como un total de poblaciones de todas las especies que ocupan una misma área. Son cinco los factores que forman la estructura de la comunidad:

Primero, la interacción entre clima y topografía. El clima está caracterizado por la distribución de la temperatura a lo largo del año y el régimen de lluvias, y la topografía por la composición del suelo, altitud sobre el nivel del mar, desniveles y otras condiciones físicas que caracterizan el hábitat.

Segundo, el tipo y calidad de alimentos y otros recursos disponibles a través del año y que influyen directamente en el tipo de especies que viven en la comunidad.

Tercero, los individuos de cada especie tienen características adaptativas que les permiten sobrevivir en las condiciones ambientales del hábitat y explotar recursos específicos.

Cuarto, los ocupantes del hábitat interactúan entre sí en relaciones como competencia, depredación y mutualismo.

Quinto, la estructura de la comunidad se ve alterada por el cambio en el tamaño de las poblaciones, la introducción de una nueva especie en la comunidad, o por perturbaciones físicas en el hábitat.

¿Cómo es que estos factores determinan la estructura de la comunidad? Dichos factores determinan el número de especies a diferentes niveles tróficos, comienzan por los productores y pasan por los diferentes niveles de los consumidores hasta llegar a los desintegradores.

En suma, los factores determinan el número de especies en un ecosistema (en el trópico, la alta tasa de radiación solar, las altas temperaturas y la humedad, favorecen el crecimiento de especies de plantas que soportan gran variedad de especies animales, mientras que con las severas condiciones en el ártico y antártico es raquítica la variedad de especies) y determinan finalmente el tamaño de la población de cada especie.

Nicho Ecológico

En cualquier ecosistema cierta combinación de condiciones ambientales y recursos permite a los individuos de una especie emplear los recursos para sobrevivir y reproducirse. Cada organismo en un ecosistema ocupa un área específica que es la localización física en la cual el organismo vive (en el fondo de un lago, bajo una roca, dentro de otro organismo, etc.).

Todo organismo necesita espacio para vivir, reproducirse y obtener nutrimentos y energía. El proceso por el cual adquiere lo anterior determina el papel de la especie en el ecosistema. La especie puede ser productora, consumidora desintegradora; ya sea presa, depredador, parásito, etc.

El papel que juega en el ecosistema el hábitat y el intervalo de tolerancia a cada factor abiótico, forman el nicho ecológico de una especie. Para un depredador de peces, las condiciones pueden ser una cierta temperatura del agua, determinada salinidad y presas de tamaño y valor nutritivo adecuado.

En otras palabras un nicho ecológico incluye todos los aspectos de la existencia de una especie. Dónde vive, qué actividades realiza, cuáles son sus requerimientos y efectos sobre el medio y otras especies.

Los biomas o zonas de vida

El bioma es una zona de vida dentro del globo terrestre o más precisamente un tipo principal de hábitat en el que la vegetación dominante comprende algunos tipos característicos que reflejan las tolerancias del ambiente y a la que se vinculan determinadas comunidades animales.

Es lógico que encontremos biomas acuáticos y continentales. Los primeros podrán subdividirse a su vez en lacustres o palustres (correspondientes a las lagunas y lagos), fluviales (ríos) y marinos (mares y océanos). En tierra firme podemos reconocer biomas específicos: al bosque, la tundra, el desierto, la pradera, la estepa y la selva.

Biosfera

Todos los ecosistemas del mundo se combinan para formar un nivel de organización llamado biosfera, que es la suma total de todos los lugares físicos en los cuales viven los organismos. La biosfera es la capa de la tierra de alrededor de 22 kilómetros, que va desde los límites superiores de la atmósfera hasta las profundidades de las trincheras oceánicas. Si comparamos la tierra con una manzana, la biosfera sería el equivalente en grosor a la cáscara, y toda la vida se desarrolla en esa delgada capa.

La biosfera está formada por la hidrosfera, que a su vez está constituida por los océanos, mares interiores, lagos, pantanos, ríos, charcas y toda el agua congelada de los glaciares y casquetes polares. Los organismos acuáticos en su mayoría se encuentran en aguas someras, donde puede penetrar la luz solar, para proveer de energía a los organismos fotosintéticos. Igualmente, la mayoría de los organismos terrestres viven en la parte iluminada de la litosfera, que es la parte rocosa de la corteza terrestre constituida por placas rígidas que forman el hábitat terrestre.

En la atmósfera, que está formada por la capa gaseosa que envuelve a la Tierra, los organismos sólo se encuentran debajo de los 7 kilómetros. Sin embargo se ha colectado polen, bacterias y esporas de hongos a altitudes de 100 Km y en la hidrosfera la gravedad lleva organismos muertos o desechos orgánicos a los fondos oceánicos, proveyendo de alimento, de esta manera, a las zonas abisales carentes de luz.

Componentes del ecosistema: abiótico y bióticos Los ecosistemas están conformados por elementos no vivos o componentes abióticos (la abiota), y por componentes vivos o bióticos (la biota). Estos interactúan para proveer los materiales y la energía necesarios para que los organismos sobrevivan.