complejidad de la vida 2012.ppt [modo de compatibilidad] · pdf fileaptar regularidades en un...

La Complejidad de la vida: La Complejidad de la vida: p jp jde la célula a los de la célula a los

ecosistemasecosistemasAngelAngel PérezPérez RuzafaRuzafa

¿En qué consiste la vida?

La vida: un sistema alejado del equilibrio

¿ qué co s ste a da

Sistemasabiertos

complejosautoorganizados

id d d d i

que mantienen su

con capacidad de reproducirse

estructura e identidaddesorganizando el entorno (disipando energía)(disipando energía)

l i t bicon el que intercambian materia y energía

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

La vida un sistema alejado del equilibrio termodinámico

Las leyes de la termodinámica alimentoa

Primera Ley: Principio de conservación de la energía

Actividad Reproducción

La energía de un sistema aislado t t

Crecimiento

b

permanece constante.

dWdUdQ Mantenimiento Reproducción

Mantenimiento Reproducción

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

Crecimiento

Crecimiento

30

4050

6070

talla

010

20

0 2 4 6 8 10 12

edad


La vida es un hecho aparentemente improbable, si no imposible, que resulta ser inevitable…


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


ΔQ

li t f í

ΔS = entropía = ΔQ/T

caliente frío

S es la entropíaQ es la cantidad de calor

l d l

Donde

T1 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 Δ significa incremento de

La vida utiliza el flujo de energía derivado de la segunda ley para construirse a sí misma…


ΔQ = Q1‐ Q2 = Trabajo mecánico

T1 T2Q1 Q2

C d d f i t

motor

caldera Condensador o refrigerante

T3 T3

motor

La vida un sistema alejado del equilibrio termodinámicoLa 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 interno

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


Esquema del un posible prototipo inicial de sistema complejo adaptativo (el primer ser vivo).


+ 2.500 m.a.


+CO2 CH2O

Heterótrofoslu

z

geno

O2H2O Cianobacterias

oxíg CO2 CH2O

CO CH O

- H2S S

CO2 CH2OBacterias del azufre

2

CO2 CH2O

SO42-

Bacterias sulfatorreductoras


Niveles deBiosfera


Niveles de organización biológica

Comunidad

Ecosistema

OrganismoPoblación

Órgano

Sistema

Célula

Tejido


¿Qué es una


sp3

¿Qué es u aespecie?

sp1

sp2 sp4

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

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

E2C3

Psp7E2 Psp8p

E

C1 E1Psp9

Psp3C2

Psp6

Psp5

Psp1

Psp2 Psp4

p

Psp4Psp4

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

¿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?

Principios y condicionantes de la vida

¿Por qué hay especies diferentes?

p y

Evolución por selección natural

Variación individual

Charles Darwin

Transmisión a la descendenciaCompetencia por los recursosSelección de los mejor adaptados

¿hacia la mejora continua Aparición de nuevas especiesde las especies?•Por evolución en ambientes separados

•Por segregación de nichos para eludir la competencia

Alfred Russel Wallace

•Catástrofes: cuellos de botella y aislamiento geográfico


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

p y

medio

Adquiriendo estructuras aislantes y de mantenimiento y mecanismos autorreguladores y homeostáticosmecanismos autorreguladores y homeostáticos

Estrategias ecológicas r vs. K

Anticipándose a los cambios del ambiente

Captar regularidades en un mundo cambiante e impredecible

ciclos vs. catástrofes

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


¿Por qué hay tantas especies?

p y

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

¿ o qué ay ta tas espec es

diferenciación de los nichos

d dd d

Eficiencia de tili ió d l

w w

utilización del recurso

Especie 1 Especie 2 Especie 3


Relieves adaptativos de las especies

p y

Fuerzas de la selección natural

Plano de dos dimensiones del rango de condiciones ambientalesambientales

Riesgos de extinciónRiesgos de extinción

Principios y condicionantes de la vidap y

Simbiosis

Colonia

La evolución de la vida

La endosimbiosis y la reproducción sexual (transferencia y recombinación


sexual (transferencia y recombinación de genes) están en la base de la proliferación y diversificación de la vida…

Reproducción sexualReproducción sexual(- 1000 a 1800 m.a.)


Las ventajas de la reproducción sexual incluyen:


• Un mecanismo para introducir cambios que dificulten la infección por retrovirus

Una forma de aumentar las tasas de cambio evolutivo• Una forma de aumentar las tasas de cambio evolutivo

• Un mecanismo para disminuir el efecto de mutaciones perjudicialesp j

• Un mecanismo para mejorar la capacidad de adaptación (fitness)

Desarrollo de los sistemas vivos

Evolución y “progreso” basados en independizarse lo más posible


Evolución y progreso basados en independizarse lo más posible del medio

Estrategias ecológicas r vs. K

Evolución de la vidaEvolución de la vida

La anticipación como base de la supervivencia

C l id d d

La anticipación como base de la supervivencia

Captar regularidades en un mundo cambiante e impredecible

… y transmitirlas a la descendencia

Evolución genéticaEvolución genética

Evolución 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)

Anticipación y catástrofesAnticipación y catástrofes

Anticipación y catástrofes

10 000 000Caída de meteorito

Anticipación y catástrofes

CATÁSTROFES100 000

1.000.000

10.000.000Cambio climático/Glaciaciones

CATÁSTROFES

1 000

10.000

100.000

s)

10

100

1.000

PO

(año

s

Terremotos / HuracanesInundaciones

Fluctuaciones climáticas El Niño

0.100

1

TIE

MP Accidentes petroleros en Galicia

Fluctuaciones climáticas estacionales

Accidentes petroleros en elAdaptación cultural?Adaptación cultural?

0.001

0.010

Mareas

Accidentes petroleros en el Mediterráneo

Día/nocheAdaptación genéticaAdaptación genética

CAPACIDAD DE ANTICIPACIÓN indiferenciaindiferencia


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 interno

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

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.a

400 m.d.a40.000 años

Revolución agrícola 12.000 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.Fuerte inversión en estructuras de mantenimiento(arados, carreteras, edificaciones, sistemas de riego)Aumento de la población por reducción de las tasas de mortalidadmortalidad

Aparición de asentamientos estables (ciudades)

¿Desarrollo sostenible o calidad de vida sostenible?

Tendencia al crecimiento y la proliferaciónlimitado por la disponibilidad de recursos y la competencia por los mismos

rgía

Nivel teórico de saturación o agotamiento del

ón d

e en

er sistema

Capacidad máxima de carga

conv

ersi

ó p greal del sistema

Tasa

de

Disponibilidad de recurso

[R1recurso limitante

Relación inversa entre eficiencia y abundancia 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

El principio de San Mateo

Crecimiento de las ciudades y explotación del entorno: aparición de

El principio de San Mateo

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

t l d )neto elevado)

Desarrollo sostenido y aceleración del crecimiento

1) Competencia por los recursos (que ya no son de


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

2) Competencia con la naturaleza (extinción de2) Competencia con la naturaleza (extinción de especies y deforestaciones)

P i bl bi t l d i t

1) Áreas improductivas y abandono de cultivos

Primeros problemas ambientales de cierta magnitud

1) Áreas improductivas y abandono de cultivos2) Desertificación y erosión3) Alteraciones del paisaje4) Cambios en la biodiversidad4) 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 energéticos implicados

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

1.000 m.d.a400 m.d.a

40.000 años

Revolución industrial

300 años

Incremento de la disponibilidad de energías externas: uso de combustibles fósiles (carbón)F t tili ió d t t d t i i tFuerte 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:A l l d t t ió d l i t l d ti ( i ió l i d d )-Acelerar la desestructuración del sistema rural y productivo (emigración a las ciudades)

-Necesidad de importar recursos. Aparición de potencias coloniales (Inglaterra, Francia…)


Países desarrollados Países en desarrollo


Consumidores de recursos Productores de recursos naturalesnaturales

endeudamiento ??

Desarrollo sostenido y aceleración del crecimientoDesarrollo sostenido y aceleración del crecimiento


U di di i d í (K l/ *dí )


2000

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

12000

5000

2000

Sociedades de cazadores-recolectores

Sociedades primitivas

20000

12000

Sociedades agrícolas avanzadas

Sociedades agrícolas incipientes

cazadores recolectores

230000125000

60000

Otras naciones desarrolladas

Países con industria incipiente

g

Sociedad Moderna Industrial (EEUU)

0 50000 100000 150000 200000 250000

Desarrollo y construcción del ecosistemaDesarrollo y construcción del ecosistema

E. P. Odum R. Margalef

Desarrollo y construcción del ecosistemaDesarrollo y construcción del ecosistema

Desarrollo de la vida

EVOLUCIÓN BIOLÓGICA

SUCESIÓN ECOLÓGICAONTOGENIA

Largo plazo (escala geológica, 106 años)

Corto plazo (<103 años)

BIOLÓGICAECOLÓGICA

Corto plazo/ciclo de vida (<102 años)

Mecanismos de renovación, reinicio y renovación

apostosis muerte catástrofes extinción

L i t i t t Los ecosistemas persisten, pero sus componentes cambian de manera inevitable (Margalef, 1991)


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

DESARROLLO DEL ECOSISTEMAPatrones definidos, predecibles en ausencia de perturbaciones

i t timportantes

Estadíos juveniles Estadíos maduros (clímax): en ilib i l li i l l

lento

(ODUM)

j(especies pioneras, oportunistas y/o temporales)

equilibrio con el clima regional, el sustrato, topografía y condiciones hídricas locales

rápido

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

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.

Desarrollo de los sistemas vivosDesarrollo de los sistemas vivos

Sistemas inmaduros

Sistemas maduros


Sucesión en los ecosistemas y evolución personal...


B

FISH BOX NO-TAKE AREAover-fished under-fished

PN

R-1 P/B

potential spill-over

R

m-2

year

- P/B

PG

t k

Fishery objectives Biodiversity objectives

YEARS

Pérez-Ruzafa et al. (2008) Journal for Nature Conservation 16: 187-192

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

Modelo de Holling

Estrategias en el desarrollo de los ecosistemas

Estrategias de la KClimaxComplejidad estructuralA t t lAutocontrolhomeostasis

Estrategias de la rEspecies pioneras oportunistas

PlagasIncendiosEspecies pioneras oportunistas

Simplicidad estructuralDependencia del ambiente

IncendiosTormentas, huracanesErupciones volcánicas

Main problems in coastal fish assemblages

Efectos de la actividad humanaec os de a ac v dad u a a

Diplodus vulgaris

Efecto cascadaEfecto cascadaEfecto cascadaEfecto cascada

Efectos de las actividades humanasec os de as ac v dades u a asLa sobre pesca y la eutrofización, están sustituyendo a los grandes depredadores por pecesplanctívoros y a estos por medusas...haciendo que la red trófica sea como la del Cámbrico.La sobre pesca y la eutrofización, están sustituyendo a los grandes depredadores por pecesplanctívoros y a estos por medusas...haciendo que la red trófica sea como la del Cámbrico.

Ecological shift

Estabilidad y cambio en los ecosistemasEstabilidad y cambio en los ecosistemas

ncia

l Umbral de cambio

gía

pote

n

múltiples estados de equilibrio

Ene

rg

q

Cambio de estado:• Reducción del umbralReducción del umbral

de cambio• Aumento del impacto

estado

Evolución progresiva por selección naturalEvolución progresiva por selección naturalExtinción de ramas aisladas

Explosiones de formas de vidaEvolución progresiva por selección naturalExtinciónes en masa por eventos imprevisiblesEvolución y ocupación de nichos a partir de los supervivienteslos supervivientes

Extinción

900

600fam

ilias

600

300mer

o de

f

0600 400 200 0

Núm

245600 400 200 0

MB

RIC

O

MB

RIC

O

OVÍ

CIC

O

ILÚ

RIC

O

VÓN

ICO

NÍF

ERO

ÉRM

ICO

RIÁ

SIC

O

RÁ

SIC

O

TÁC

ICO

OZÓ

ICO

245

PREC

ÁM

CÁ

M

OR

DO SI D

EV

CA

RB

O P TR JU

CR

E

CEN

O

Tiempo geológico (millones de años)(millones de años)

Extinción del 75 % de las Familias de

Extinción de los Di ianfibios y

reptiles

DinosauriosRadiación de los mamíferos

Desarrollo de los sistemas vivosDesarrollo de los sistemas vivos

¿La importancia de la muerte?

complejidad de la vida 2012.ppt [modo de compatibilidad] · pdf fileaptar regularidades en un...

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