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LA ECOLOGÍA ANTE EL SIGLO XXIAULA SENIOR. Curso Académico 2011-2012AULA SENIOR. Curso Académico 2011 2012Departamento de Ecología e Hidrología

Tema Tema 3. La 3. La complejidad de la vida: de la célula complejidad de la vida: de la célula a los ecosistemasa los ecosistemasa los ecosistemasa los ecosistemas

Profesor: Ángel Pérez Ruzafa

4.600 m.d.a

3.000 m.d.a

1.000 m.d.a

400 m.d.a

4.600 m.d.a

3.000 m.d.a

1.000 m.d.a

400 m.d.a

40.000 años

Cazador-recolector 30.000 años

Aprender de la naturaleza (anticipación)Aprender de la naturaleza (anticipación)Uso de herramientasUso del fuego

Inicio del uso de energías exosomáticas

L id i t l j d d l ilib iLa vida: un sistema alejado del equilibrio

Si t1. Dependencia del medio y de las leyes de la termodinámica

Sistemasabiertos

complejoscomplejosautoorganizados que mantienen su

estructura e identidaddesorganizando el entorno (disipando energía)

con el que intercambiancon el que intercambian materia y energía

y tienen capacidad de reproducirse

Ecología: ciencia y biofísica de los eco-sistemas Ecología: ciencia y biofísica de los eco-sistemas

Sistema cerrado Sistema abierto

Flujos de materia y energía en la naturalezaFlujos de materia y energía en la naturaleza

Las leyes de la termodinámica

Primera Ley: Principio de conservación de la energía

La energía de un sistema aislado permanece constante.La energía de un sistema aislado permanece constante.

dWdUdQ Q: calor suministradoU: energía interna del sistemaW: trabajo realizado

La energía no se crea ni se destruye solo se transforma

W: trabajo realizado

La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Experimento de Joule para demostrar la transformación d l í C d li i l t i i lde la energía. Cuando se eliminan las restricciones, la energía potencial, en forma de peso suspendido, se convierte en energía cinética de una rueda que agita el agua aislada de otras entradas o salidas de energía. El movimiento de la rueda calienta el agua gproporcionalmente a la caída del peso. (From Swenson, 1997a. Copyright 1997 JAI Press. Used by permission).

Segunda Ley de la Termodinámica: Ley de la entropía o de la irreversibilidad de los procesos macroscópicos espontáneos

Transferencia de calor

T1>T2

T1 T2

∆Q

f í

∆S = entropía = ∆Q/T

caliente frío

DondeS es la entropíaQ es la cantidad de calorT1 y T2 es la temperatura de los sistemas 1 y 2, respectivamenteT es la temperatura absoluta a la que tiene lugar el procesoy el símbolo ∆ significa incremento de


Segunda Ley de la Termodinámica


∆Q = Q1- Q2 = Trabajo mecánico

T1 T2

Q1 Q2

C d d f i t

motor

caldera Condensador o refrigerante

T3 T3

motor

La vida: un sistema alejado del equilibrio termodinámico

Desorganización del entorno y aumento de la entropía

Energía de alta calidadMateria altamente organizada

Energía de baja calidadMateria desorganizada

Aumento de la estructura y el orden internoy


5’CpCpGp3’ 5’CpCpGp3’ PP e hν

-+

3’GpGpCpGpCpCp5’ P + P e*

Niveles de organización biológica Niveles de organización biológica

BiologíaBiosfera

gEcología

Comunidad

Ecosistema

OrganismoPoblación

Órgano

Sistema

Célula

Tejido

++uzCO2

CHlu H2S CH4

CO2 CH2OBacterias del azufre- H2S Sdel azufre

SO 2-

CO2 CH2OBacterias

sulfatorreductoras SO42-sulfatorreductoras

++ 3.500 m.a.uz en

o O2H2O Cianobacterias

lu

oxíg

eCO2 CH2O


SO 2-

CO2 CH2OBacterias


+H2O

Heterótrofos

2.500 m.a.

+CO2 CH2O

Heterótrofos

uz eno O2H2O Cianobacterias

lu

oxíg

eCO2 CH2O


SO 2-

CO2 CH2OBacterias



Desorganización del entorno y aumento de la entropía

Energía de alta calidadMateria altamente organizada

Energía de baja calidadMateria desorganizada

Aumento de la estructura y el orden internoy

Principio de S. Mateo (Mt. 25, 29-30)

2. Tendencia al crecimiento y la proliferación

limitado por la disponibilidad de recursos y la competencia por los mismos

ener

gía Nivel teórico

de saturación o agotamiento del sistema

onve

rsió

n de

del sistema

Capacidad máxima de carga real del sistema

Tasa

de

co

Disponibilidad de recurso

[R1recurso limitante

Relación inversa entre eficiencia y abundancia de recurso

3. Evolución y “progreso” basados en independizarse lo más posible del medioposible del medio

Adquiriendo estructuras aislantes y de t i i t i t l dmantenimiento y mecanismos autorreguladores y

homeostáticos

Anticipándose a los cambios del ambiente

Captar regularidades en un mundo cambiante e impredecible

ciclos vs. catástrofes

Estrategias ecológicas r vs KTransmitirlas a la descendencia

E l ió é i

Estrategias ecológicas r vs. K

Evolución genéticaEvolución cultural

Cambioclimático

10.000climáticoFrentes

oceánicosAfloramientos

El Niño Región Biogeográfica1.000

MarMenor

Afloramientos

GiroMamíferosAves

Biogeográfica1.000

100 MenorPeces

Giro

Zooplancton Metapoblaciones

100

p

Migraciones

Metapoblaciones

Home Migraciones?

10

Migracionesverticales

Fitoplancton

-rangeg

Dispersión larvaria?1

Micromanchas

p

1 10 100 1.000 10.000

Espacio (Km)

Mareas negras … ¿catástrofes ecológicas? Mareas negras … ¿catástrofes ecológicas?

Caída de meteorito

1.000.000

10.000.000Cambio climático/Glaciaciones

CATÁSTROFES10.000

100.000

)

100

1.000

O (a

ños

Terremotos / HuracanesInundaciones

1

10

TIE

MPO Fluctuaciones climáticas El Niño

Accidentes petroleros en GaliciaFluctuaciones climáticas estacionalesAdaptación cultural?Adaptación cultural?

0.010

0.100estacionales

Accidentes petroleros en el Mediterráneo

Día/nocheAdaptación genéticaAdaptación genética

Adaptación cultural?Adaptación cultural?

CAPACIDAD DE ANTICIPACIÓN

0.001 Mareas

indiferenciaindiferencia


Adquiriendo estructuras aislantes y de t i i t i t l dmantenimiento y mecanismos autorreguladores y

homeostáticos

Anticipándose a los cambios del ambiente

Captar regularidades en un mundo cambiante e impredecible

ciclos vs. catástrofes


Transmitirlas a la descendencia

E l ió é i

g g

Evolución genéticaEvolución cultural

sp3

sp1

sp2sp4

migracionescrecimiento

Clases de edad+ +

C ases de edad -

reclutamientoreproducción -- ++

Mortalidad por pesca

-+Mortalidad natural

+ incrementos de biomasa

- pérdidas de biomasa

i ib ió áfi d l b l d hDistribución geográfica del bacalao Gadus morhua

Metapoblaciones

reclutamiento

reproducciónMortalidad

Mortalidad natural

por pesca

migracionesg

reclutamiento

reproducciónMortalidad por pesca

Mortalidad natural

por pesca

¿Por qué hay especies diferentes?¿Por qué hay especies diferentes?

¿Por qué hay tantas especies?¿Por qué hay tantas especies?

¿Qué factores determinan el número de especies?¿Qué factores determinan el número de especies?

¿Existe un límite al número de especies?¿Existe un límite al número de especies?

¿Qué importancia tiene el que haya más o menos especies?¿Qué importancia tiene el que haya más o menos especies?

¿Por qué unas especies son más abundantes que otras?¿Por qué unas especies son más abundantes que otras?

¿Existe un patrón definido en las relaciones de abundancia entre¿Existe un patrón definido en las relaciones de abundancia entre especies?, ¿de qué depende?, ¿tiene alguna importancia?

¿Por qué hay especies diferentes?

Evolución por selección natural

Variación individualTransmisión a la descendenciaCompetencia por los recursos

Charles Darwin

Competencia por los recursosSelección de los mejor adaptados

¿hacia la mejora continua de las especies?

Aparición de nuevas especies

•Por evolución en ambientes separados•Por segregación de nichos para eludir la competencia

Alfred Russel Wallace

¿Por qué hay tantas especies?

La expansión hacia lo adyacente posible y la diferenciación de los nichos

d dd d

Eficiencia de

w wEficiencia de utilización del recurso

Especie 1 Especie 2 Especie 3

25 Nicho potencial

2020

15 Nicho efectivo15 Nicho efectivo

10

1 Límites de supervivencia

1 10 20 30 40

Humedad

25 Nicho potencial

20

p

sp1 sp220

1515

10

1

Nicho efectivo

1 10 20 30 40

Nicho efectivo

Humedad

Relieves adaptativos de las especies

Fuerzas de la selección natural

Plano de dos dimensiones del rango de condiciones ambientales

Riesgos de extinciónRiesgos de extinción

Organización del ecosistema Organización del ecosistema

S lSol

Productores primarios

Herbívoros

p

detritos

carnívoros

Herbívoros

Bacterias/descomponedores Carnívoros de 2º orden

carnívoros

p

Detritívoros

Carnívoros de 2º orden

Detritívoros

Ciclo de la materiaCiclo de la materia

Energía solar

pesca y marisqueo

MAR ABIERTO

viento

lluvia

fitoplancton peces pelágicossistema pelágico

migracioneslluvia

escorrentía

zooplancton

migraciones

entradas desdemar abierto

MFmf

IBsistema

ó

nutrientes

actividades humanasdragadosvertidosobras costeras

pecesbentónicos

IB

MF = macrofitobentosf i fit b t

bentónico

detritosmf = microfitobentosIB = invertebrados bentónicos

Diplodus vulgarisDiplodus vulgaris

nn*

E2C3

Psp7E2 Psp8p

E

C1 E1Psp9

Psp3C2

Psp6

Psp5

Psp1

Psp2 Psp4

p

Psp4Psp4

Desarrollo histórico de los ecosistemas: sucesión ecológicaDesarrollo histórico de los ecosistemas: sucesión ecológica

Estrategias en el desarrollo de los ecosistemasEstrategias en el desarrollo de los ecosistemas

La sucesión comienza cuando un área es parcial o totalmente desprovista de vegetación como consecuencia de una perturbaciónperturbación.


Estrategias en el desarrollo de los ecosistemas

DESARROLLO DEL ECOSISTEMA


Patrones definidos, predecibles en ausencia de perturbaciones importantes

Estadíos juveniles(especies pioneras,

Estadíos maduros (clímax): en equilibrio con el clima regional, el

t t t fí di i(ODUM)

oportunistas y/o temporales) sustrato, topografía y condiciones hídricas locales


Estrategias en el desarrollo de los ecosistemasEstrategias en el desarrollo de los ecosistemas

Sucesión de especies de plantas en un campo abandonado en Carolina del

Las especies pioneras

abandonado en Carolina del Norte

consisten en diversas plantas anuales. Este estado sucesional es seguido por plantas perennesy hierbas, arbustos, árboles de madera blanda y arbustos, y finalmente árboles de madera dura y arbustos. La sucesión tarda 120 años para alcanzar la comunidad climax.

Colonización por especies i d l t l

5-15 años

(Pinus taeda) (Pinus

120 años

pioneras de plantas anuales sobre suelos desnudos y pobres en nutrientes.Ciclo de vida corto (una estación de crecimiento)

Plantas que viven varios años

(Pinus taeda), (Pinus echinata), (Pinus virginiana)

Dwight Billings (1938) Ecological Monographs 8: 437-499)

estación de crecimiento), maduración rápida, y producen numerosas semillas de pequeño tamaño.

y tienen la capacidad de reproducirse varias veces a lo largo de su ciclo de vida.

Odum y otros (años 1950): concepto funcional deterministaconcepto funcional determinista

Margalef (años 1960-1990):

E P Odum R. Margalef

Margalef (años 1960-1990): propuesta de síntesis “holista”

E. P. Odum g

Los ecosistemas en el tiempo: sucesión ecológicaLos ecosistemas en el tiempo: sucesión ecológicaEstrategias en el desarrollo de los ecosistemas

Modelo de Holling


Modelo de Holling

Los ecosistemas en el tiempo: sucesión ecológicaLos ecosistemas en el tiempo: sucesión ecológicaEstrategias en el desarrollo de los ecosistemasEstrategias en el desarrollo de los ecosistemas

alot

enci

arg

ía p

oE

ne múltiples estados de equilibrio

estado

Naturaleza de la Ecología y su cuerpo de doctrina Naturaleza de la Ecología y su cuerpo de doctrina

Z l í Botánica

GenéticaHidrología/Oceanografía

Zoología Botánica

EcologíaFisiología

Meteorología

Hidrología/Oceanografía

BioquímicaGeología

Comportamiento

“...entre todas las disciplinas biológicas, la ecología es la más heterogénea y la que más abarca ”más heterogénea y la que más abarca. Mayr, E., 1998. Así es la Biología.Debate. Madrid.

Naturaleza de la Ecología y su cuerpo de doctrina Naturaleza de la Ecología y su cuerpo de doctrina g y pg y p

•“estudio científico de la distribución y la abundancia de los organismos” (Andrewartha, 1961)

Ecología•“estudio de la estructura y función de la

naturaleza” (Odum, 1963)

de los organismos (Andrewartha, 1961)

•“estudio científico de las interacciones que determinan la distribución y abundancia de los

organismos” (Krebs, 1972)

“Ciencia de los ecosistemas” (González Bernáldez, 1970)

“Biología de los ecosistemas” / ”Biofísica de los ecosistemas” (Margalef, 1974/1992)

“... Cuerpo de conocimiento relativo a la economía de la naturaleza - la investigación de las relaciones

(Margalef, 1974/1992)

totales del animal tanto con su ambiente orgánico como inorgánico, ...; es el estudio de todas la interrelaciones complejas a las que se refería Darwin como las condiciones de lucha por la existencia”

(Haeckel, 1870)

“una forma holística de abordar los aspectos de la naturaleza en los que aparecen implicados los seres vivos (incluido el hombre)”

Naturaleza de la Ecología y su cuerpo de doctrina Naturaleza de la Ecología y su cuerpo de doctrina g y pg y p

Ecología Ecologismo

ECOLOGISTASECÓLOGOS

“una forma holística de abordar los aspectos de la naturaleza en los que aparecen implicados los seres vivos (incluido el hombre)”que aparecen implicados los seres vivos (incluido el hombre)”

CIENCIA MOVIMIENTO SOCIAL

4.600 m.d.a

3.000 m.d.a

1.000 m.d.a

400 m.d.a

40.000 años

Cazador-recolector 30.000 años

Aprender de la naturaleza (anticipación)Aprender de la naturaleza (anticipación)Uso de herramientasUso del fuego

Inicio del uso de energías exosomáticas

4.600 m.d.a3.000 m.d.a

1.000 m.d.a400 m.d.a

40.000 años

Revolución agrícola12.000 años

Mayor capacidad de anticipación: conocimientos del clima y los astros, previsión y control de las cosechasMayor uso de energías exosomáticas (completo controlMayor uso de energías exosomáticas (completo control del fuego y el agua, sistemas de regadío, uso de animales de domésticos, de carga y tiro). Incremento del uso medio de energía por persona.g p pFuerte inversión en estructuras de mantenimiento(arados, carreteras, edificaciones, sistemas de riego)Aumento de la población por reducción de las tasas de mortalidad

Aparición de asentamientos estables (ciudades)

Crecimiento de las ciudades y explotación del entorno: aparición de gremios y trabajos no productivos desde el punto de vista biológico mantenidos a partir de los sistemas agrícolas adyacentes

Cumplimiento del principio de S. Mateo

Mayores necesidades de crecimiento y explotación del entorno:

1) Comercio (flujo lento y crecimiento neto bajo)

2) Invasiones y dominio bélico (flujo rápido y crecimiento neto l d )elevado)

Aceleración del crecimiento:

1) Competencia por los recursos (que ya no son de subsistencia) con otras potencias

2) Competencia con la naturaleza (extinción de especies y deforestaciones)

Primeros problemas ambientales de cierta magnitud

1) Áreas improductivas y abandono de cultivos2) Desertificación y erosión3) Alteraciones del paisaje4) Cambios en la biodiversidad

Hª de la Humanidad: una repetición de ciclos a distintas escalas espaciales y temporales con saltos de nivel en los flujos energéticosespaciales y temporales, con saltos de nivel en los flujos energéticos implicados

4.600 m.d.a3.000 m.d.a

1.000 m.d.a400 m.d.a

40.000 años

Revolución industrial300 años

Incremento de la disponibilidad de energías externas: uso de combustibles fósiles (carbón)Fuerte utilización de estructuras de mantenimientoFuerte utilización de estructuras de mantenimiento(máquinas de producción, transporte…)Aumento de las tasas de crecimiento urbano

Acentuación y aceleración de los procesos

A costa de:-Acelerar la desestructuración del sistema rural y productivo (emigración a las ciudades)-Acelerar la desestructuración del sistema rural y productivo (emigración a las ciudades)-Necesidad de importar recursos. Aparición de potencias coloniales (Inglaterra, Francia…)

C t í ti d l i d d i d t i li dC t í ti d l i d d i d t i li dCaracterísticas de las sociedades industrializadas:Características de las sociedades industrializadas:

Intensa producción y consumo de bienes estimuladospor la publicidad masiva y la creación de necesidades ydeseos artificiales (sociedad de consumo)deseos artificiales (sociedad de consumo)

Dependencia acrecentada de los recursos norenovables (petróleo carbón gas natural metales)renovables (petróleo, carbón, gas natural, metales)

Dependencia de materiales sintéticos difícilmented d bl / tó idegradables y/o tóxicos

Elevación de la utilización y dependencia de energíasexosomáticas y estructuras de mantenimiento ytransporte

Países desarrollados Países en desarrolloPaíses desarrollados Países en desarrollo

Consumidores de recursos Productores de recursos naturales

endeudamiento ??

Uso medio diario de energía por persona (Kcal/persona*día)Uso medio diario de energía por persona (Kcal/persona*día)

5000

2000

S i d d dSociedades primitivas

20000

12000Sociedades agrícolas incipientes

Sociedades de cazadores-recolectores

125000

60000

20000

Países con industria incipiente

Sociedades agrícolas avanzadas

230000125000

Sociedad Moderna Industrial (EEUU)

Otras naciones desarrolladas

0 50000 100000 150000 200000 250000

Industrial (EEUU)

La falta de planificación y la necesidad de aumentar la producción llevan a:

1) C i i t b l t á fé til1) Crecimiento urbano en los terrenos más fértiles2) Deforestación para creación de tierras de cultivo

(necesidad de abonos)3) Uso indiscriminado de abonos y plaguicidas

Aparición de nuevas consecuencias ambientales con escalas i t l t d l i iespaciotemporales que superan todas las previsiones:

Nivel teórico de

ener

gía saturación o

agotamiento del sistema

rsió

n de

e

Capacidad máxima de carga real del sistema

e co

nver

carga real del sistema

Tasa

de

Disponibilidad de recurso

[R1recurso limitante de recurso

Escenarios futurosD b i i t

ergí

a

futurosDescubrimiento y aprovechamiento de nuevas fuentes de energía

ón d

e en

e

Empleo de combustibles

fósiles

conv

ersi

óTa

sa d

e c

Agotamiento de las reservas de petróleo

T

tiEmpleo de la madera

tiempocomo fuente de energía

as t3 la complejidad de la vida 2011 2012.ppt [modo de ... · la complejidad de la vida: de la ......

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