5. Pirámides tróficas o ecológicas

Las pirámides ecológicas son una forma de representar la información la información de los níveles tróficos de un ecosistema. Por ejemplo, la energía acumulada, la biomasa, la productividad, el tamaño de la población, etc. Cada nivel trófico se representa mediante una barra horizontal, con un ancho proporcional al valor que representa. La base de la pirámide corresponde a los productores, le sigue de de los consumidores primarios, secundarios, y así sucesivamente. Una pirámide de números muestra el número de individuos que hay en cada nivel trófico en un ecosistema determinado.  

Pirámides de energía        

Las pirámides de energía trófica representan la cantidad de energía de un nivel trófico neta o disponible para el nivel trófico superior. Según investigaciones en diferentes ecosistemas se estima que la energía que se puede transferir de un nivel trófico a otro es aproximadamente el 10%.


                                                  Imagen 5. Pirámide de energía 

Pirámides de biomasa

Las pirámides de biomasa son una representación de la masa de un nivel trófico o de todo el sistema.

                                                   Imagen 6. Pirámide de Biomasa

Fuente:
Cárdenas E., (2004). Ecología: Impacto de la problematica ambiental actual sobre la salud y el ambiente. Colombia: Ediciones Ecoe
Carabias J. (2009). Ecología y el ambiente en el siglo XXI. México: Editorial Pearson Education.

4. Niveles trópicos

En todo ecosistema las cadenas alimentarias dependen de los productores o autotrófos, los cuales constituyen el promer nivel trófico. Los consumidores  que se alimentan directamente de algún productor, se denominan consumidores primarios o hervíboros y constituyen el segundo nivel trófico. Por ejemplo, los conejos son hervíboros porque se alimentan exclusivamente de plantas, por tanto, ocupan el segundo nivel trófico. 

Los organismos que se alimentan de consumidores  primarios se llaman consumidores secundarios o carnívoros, por ejemplo las serpientes son consumidores secundarios porque se alimentan de ratones, que a su vez consumen semillas y otros alimentos. Los consumidores secundarios, constituyen el tercer nivel trófico. Los grandes depredadores que se alimentan de consumidores secundarios, como los búhos que consumen serpientes, conforman los niveles tróficos superiores. Los bio-reductores como bacterias, hongos, aves carroñeras, también son consumidores de segundo o tercer orden.           El estudio de la dinámica trófica, es decir del flujo de materiales o nutrientes y energía en los ecosistemas se debe fundamentalmente a R. Lindermann, quien propuso calcular la eficiencia en la transferencia de energía entre níveles tróficos.     

                                                     Imagen 4. Pirámide Alimenticia

Biomasa 

La medición de factores como la biomasa, la producción y productividad ecológica de un nivel trófico o del ecosistema completo, tiene aplicaciones prácticas diversas. Por ejemplo para medir el potencial de una cosecha, la cantidad de carne de un hato, o el potencial de pesca de una zona entre otras.   

La biomasa es la cantidad de materia orgánica (masa) de una población, comunidad, nivel trófico o ecossistema por unidad de volumen (en un medio acuático) o superficie (en un medio terrestre). Incluye los alimentos, combustibles, fósiles, madera, etc. Se estima que la producción anual de materia orgánica seca es de 1.55 x 10 ¹¹ toneladas (60% de ella se forma en la tierra, el resto en océanos y aguas continentales). Se puede expresar en gramos, kilogramos, toneladas o kilojulios por unidad de superficie o volumen. Según su origen, la biomasa puede ser natural, cuando se produce sin intervención humana; biomasa residual seca, cuando proviene de recursos generados en las actividades agrícolas, forestales, o de la industria agroalimentaria y de madera también puede ser biomasa residual húmeda, que proviene de aguas residuales urbanas, industriales y ganaderas. En la siguiente tabla a continuación se muestran los datos obtenidos de biomasa en los diferentes niveles tróficos de un ecosistema, así como la energía disponible en cada caso para el nivel inmediatamente superior. 

                                             Cuadro 2.  Nivel trópico

                     Nivel trófico           Biomasa (g/m²)                  % de biomasa

                                                                         En comparación con el nivel anterior                  

                          

                                ^{Productores                     809} 

                                 ^{Hervíboros                       37                                4.5                                                                                 Consumidores secundarios           11                               29.7}

                        ^{Consumidores terciarios            15                                 7.3}

^{Producción de energía}

^{La producción de energía, se puede medir para una población, nivel trófico o ecosistema completo y hace referencia a la cantidad de energía que tal nivel o ecosistema es capaz de acumular. Por ejemplo, una pradera es capaz de convertir más energía solar en biomasa que un desierto y, por tanto es más productiva.}

^{Se hace referencia a la producción primaria de energía cuando proviene de la fotosíntesis de las plantas. La producción primaria neta, corresponde a la producción primaria bruta menos el consumo de energía para la respiración celular.}

^{Productividad ecológica}    

^{La productividad ecológica, hace referencia a la cantidad de materia orgánica acumulada en un determinado tiempo y en un área determinada. Si se trata de organismos autótrofos, se denomina productividad primaria y si es de los consumidores, entonces corresponde a la productividad secundaria. Por ejemplo se puede calcular la productividad anual de una hectárea de soja o de un galpón de pollos. El resultado se expresa en energía acumulada (calorías/ml/día o en calorías/ml/hora) o en términos de la materia órganica sintetizada (gramos/m2/día o kg/hectárea/año). La productividad natural puede ser mejorada con técnicas apropiadas, como el uso de agroquímicos en el caso de las plantas, o centrados en el caso de animales.}

3. Redes alimentarias

Las cadenas alimentarias son unidireccionales, al representar la trasnferencia de energía de un organismo a otro. Pero las relaciones alimentarias dentro de un ecosistema completo, donde los organismos normalmente incluyen una dieta diversa, forman complejas redes alimentarias, en las cuales muchos organismos hacen parte de varias cadenas alimentarias simúltaneamente.

                                                    Imagen 3. Redes Alimentarias

2. Cadenas alimentarias

Las cadenas alimentarias son el mecanismo de la naturaleza para transferir energía y materiales de un organismo a otro. Mediante ella se describe " quien se come a quien" en un ecosistema. El flujo de energía de un organismo a otro, se representa con flechas intermedias entre el organismo consumido y el consumidor.

                                                     Imagen 2. Cadena Alimentaria

En cada paso de un eslabón de la cadena alimentaria a otro, hay transferencia energética, pérdida de calor, así como aumulación de biomasa. 

Hay muchos ejemplos de cadenas alimentarias, puesto que ellas describen un proceso común de los seres vivos para obtener energía. Es el caso de los ecosistemas acuáticos, donde el fitoplancton es consumido por organismos heterótrofos como el zooplancton, y estos a su vez son consumidos por pequeños carnívoros como los crustáceos, alimento a su vez de peces, estos de garzas y ellas de hongos y bacterias cuandom mueren. El flujo de energía en esta cadena alimentaria se representa así:

     Fitoplancton ---> zooplancton ---> crustáceos ---> peces ---> garzas ---> hongos y bacterias

1. El Sol fuente primaria de energía

La Tierra, además de ser el ecosistema mayor, es el más maduro y complejo. La energía solar que ingresa a este sistema, es la fuente primria de toda la energía en el planeta. Se estima que el flujo de esta energía puede mantenerse durante otros 5000 milllones de años. Del total de la energía solar que ingresa en forma continua al planeta, solo un 46% aproximadamente alcanza la superficie terrestre y de este porcentaje apenas el 1% es utilizado por los organismo fotoautotrófos. Todos los demás seres vivos en el planeta dependemos del flujo de esta energía para vivir. El resto de la energía que ingresa hasta la superficie, es reflejada a la atmósfera, en forma de calor. Las zonas verdes de la Tierra tales como los bosques, reflejan menos energía solar que aquellas claras como los polos -un ecosistema nevado refleja mas del 90% de esta energía-, lo que promueve aún más su enfriamiento. Otros factores que influyen sobre la calidad de luz reflejada son las nubes, la omposición atmosférica y el ángulo de incidencia del Sol.   

Una vez que la energía solar ingresa al ecosistema, los organismos fotoautotrófos (fitoplancton en los ecosistemas acuáticos o vegetales en los ecosistemas terrestres), captan la energía solar y la transforman mediante el proceso de fotosíntesis en energía química, según la siguiente reacción química.  

                                                   Imagen 1: Relaciones Tróficas 

Energía y leyes de la termodinámica 

La energía se define como la capacidad de efectuar trabajo y puede ser de varios tipos: calorífica (como la que emana del gas que se quema en una estufa), química (la que está almacenada en los enlaces químicos de los compuestos) o lumínica (como la que irradia el Sol), entre otras.

La energía se mide en calorías o julios. Una caloría (que se abrevia cal) se define como la cantidad de energía que se requiere para que la temperatura de un gramo de agua aumente de 14.5 a 15.5°C. Por su parte, un julio (o joule, que se abrevia J) es la energía necesaria para levantar una masa de 1 gramo a 1 cm de altura contra la fuerza de gravedad de la Tierra. Una caloría equivale a 4.184 J, por lo que 1 J = 0.239 cal. Los ecólogos miden la energía en kilocalorías (1 kcal = 1000 cal) o en kilojulios (1 kJ = 1000 J). En general, los materiales vivos contienen entre 2.0 y 6.0 kcal/g (de 10 a 20 kJ por g; cuadro 1).

                                             Cuadro 1. Materiales

                                             Material                           kJ/g                    kcal/g
                                       Aceite vegetal                          38.0                      9.0
                                      Arroz (semillas)                        14.3                      3.4
                                   Chocolate confitado                      21.4                      5.1
                                       Hojas de fresno                        20.1                      4.8
                            Hojuelas de maíz azucaradas              16.8                      4.0
                                       Frijol (semillas)                        13.9                      3.3
                                   Leche entera de vaca                     2.4                      0.6
                       Leña de tepozán (Buddleia cordata)           18.9                      4.5
                                  Nopalitos (Opuntia sp.)                  11.1                      2.6
                                    Saltamontes machos                   22.9                      5.5
                       

Las leyes de la termodinámica expilcan el flujo de energía en los ecosistemas. La primera ley establece que la energía no se puede crear ni destruir, sino únicamente transformar de un tipo a otro. La segunda ley explica que en cada transferencia de energía una parte de ella se degrada como calor. Por ello, el planeta requiere al aporte continuo de energía solar, para sostener la vida. Conforme a las leyes de la termodinámica, todo ecosistema presenta un balance energético que se expresa mediante la siguiente ecuación:

                               

                              Q        ₌       Q_H  + Q_{E   +}   Q_G        +      Q_H  + Q_E

                           _{_____       __________     _____             ________} 

                               100%                  52%             46%                    < 2%

                         Q₌ Radiación          Q₌ Flujo de calor               Q_M= Fotosíntesis  

                               Solar neta              que se dispersan         Q_M= Metabolismo

                                                       Q_G= Energía solar

                                                              que llega a

                                                              la superficie

 

La interpretación de la ecuación indica que del total de la energía solar que ingresa al planeta, una parte (46%) es recibida por la superficie marina o terrestre, cerca del 2% es utilizada para el proceso de fotosíntesis y los procesos metabólicos de los seres vivos, el resto se pierde en forma de calor (52%).