Ecología y medio ambiente

Flujo de energía

¿Qué es el flujo de energía?

Los diferentes niveles que conforman una cadena trófica requieren la transformación de materia en energía y viceversa; estos dos conceptos (materia y energía), son fundamentales para comprender la dinámica de un ecosistema. Recuerda las definiciones que estudiaste en tus cursos de Física y Química, y en conjunto y con la orientación de tu asesor(a) elaboren entre todos una definición común que sirva de punto de partida para el estudio del siguiente tema.

Para comprender los flujos de materia y energía en los ecosistemas es importante recordar cuáles son los componentes bióticos de todos los ecosistemas. De acuerdo con la función que desempeñan en el medio ambiente, los factores bióticos (seres vivos dentro de un ecosistema), se pueden clasificar en: productores, consumidores primarios, consumidores secundarios, consumidores terciarios y desintegradores, tal como se muestra en la siguiente tabla.

Tabla 1. Clasificación de los factores bióticos

Los seres vivos tomamos la materia y energía disponibles en nuestro entorno con el fin de utilizarlas para realizar procesos vitales (división celular y metabolismo), estas materia y energía pueden ser transferidos a otros seres vivos de un nivel trófico diferente, y también al ambiente.

La energía fluye en una sola dirección entre los seres vivos de un ecosistema, esta característica obliga a reponer la energía a partir de una fuente externa, como lo es la energía solar. Ésta es aprovechada por organismos productores, como las plantas, se transfiere a organismos consumidores, como los herbívoros, y luego a otros organismos consumidores, como los carnívoros. Todos los organismos de esta cadena constituyen la biocenosis. En cada transferencia de energía entre los diferentes tipos de organismos hay pérdidas en forma de calor. La materia tiene un comportamiento cíclico que permite que los elementos químicos sean transferidos entre los seres vivos y el biotopo de cada ecosistema.

La energía es la capacidad o habilidad de producir trabajo. En los organismos, cada trabajo biológico, como crecimiento, desplazamiento, reproducción, mantenimiento y reparación de tejidos dañados, requiere energía. La energía existe en múltiples formas: química, radiante, térmica, mecánica, eléctrica y solar, como se describe en el siguiente esquema:

Diagrama 1. Tipos de energía

Dado que la energía es la capacidad para producir trabajo, generalmente se expresa en unidades de trabajo (kilojoules, kJ) o en unidades de calor (kilocalorías, kcal). Por ejemplo, al nivel del mar se requiere una kilocaloría de energía para elevar un grado centígrado (ºC) la temperatura de 1 kg de agua. Una kcal es igual a 4.184 kJ.

En la figura anterior puedes ver que la energía puede existir en múltiples formas, por ejemplo puede estar almacenada (energía potencial) o en movimiento (energía cinética), y cambiar de una forma a otra. Este es justo el campo de estudio de la termodinámica, la energía y sus transformaciones.

Como todo en nuestro planeta está interconectado, es complicado estudiar un ecosistema con todas sus interacciones internas y externas, en consecuencia, retomamos el concepto de sistema –que estudiaste en Física– y lo aplicamos al estudio de la naturaleza. Así, para conocer cómo funciona un ecosistema lo separamos o aislamos conceptualmente del resto del universo físico mediante el uso de fronteras, de esta manera todo lo externo a la frontera será llamado entorno.

Recordarás que existen dos tipos de sistemas:

  1. Un sistema cerrado, que tiene una frontera que no permite el intercambio de materia y energía con el entorno.
  2. Un sistema abierto, que tiene una frontera que sí permite el intercambio de materia y energía con el entorno.

Es muy útil aplicar la teoría de sistemas a la naturaleza, ya que podemos tener sistemas muy pequeñitos, como una célula (puedes identificar que ésta posee una membrana celular que la separa de su entorno y tiene como función principal permitir el intercambio de materia y energía con lo que se encuentra a su alrededor), pasando por sistemas de diferentes tamaños, como un ecosistema, un bioma o incluso nuestro planeta. En todos los casos, los sistemas biológicos poseen fronteras abiertas, es decir están sujetos a un intercambio de materia y energía con su entorno.

Pero además puedes ver que es este flujo lo que los mantiene conectados, la energía sale de un sistema (una célula) y fluye a otro sistema (otra célula o un órgano). Por ello, se dice que en la naturaleza los sistemas están anidados, es decir, están interconectados y dependen los unos de los otros.

Como estamos hablando de sistemas, es importante que recuerdes que existen dos leyes sobre la energía que aplican a todo cuanto hay en el Universo: la primera y la segunda ley de la termodinámica.

Primera ley de la termodinámica

Establece que los organismos intercambiamos energía con nuestro entorno y para ello la energía debe cambiar de forma. Si lo aplicamos a los sistemas vivos, entonces un buen ejemplo sería la conversión de la energía química contenida en los alimentos a la energía cinética o de movimiento necesaria para realizar una actividad física, como correr. Durante el ejercicio nuestra temperatura corporal aumenta y parte de esa energía es transferida a través de la piel a las moléculas que nos rodean, incrementando su temperatura, sin embargo como el número de moléculas es infinitamente grande, esa energía se disipa. Si realizamos un balance energético podemos establecer que la energía total del sistema –nuestro cuerpo y nuestro entorno– permanece sin cambio.

La energía presente en el Universo, desde su formación –hace 13,700 millones de años– hasta la actualidad es la misma. Un sistema puede absorber o entregarle energía a su entorno, pero la energía total contenida entre ambos será siempre la misma.

Imagen 1. Pirámide de NAOS

Esta ley especifica que un organismo no puede crear energía para vivir, sin embargo, puede capturar energía del ambiente para el trabajo biológico, proceso que involucra la transformación de un tipo de energía a otro.

Otro ejemplo interesante es la fotosíntesis, ya que durante este proceso las plantas absorben la energía de la radiación solar y la convierten en energía química, que es almacenada en los enlaces de las moléculas de los carbohidratos, como la glucosa. Del mismo modo, la energía química es transformada cuando los animales o los seres humanos se alimentan con una planta; éstos convierten la energía de los enlaces en energía mecánica, que emplean para diferentes actividades físicas.

Cómo lo hace el hombre se puede observar en la llamada Pirámide NAOS, un material didáctico elaborado por la Agencia Española de Seguridad Alimentaria y Nutrición, en el que gráficamente y a través de sencillos consejos se dan pautas sobre la frecuencia de consumo de los distintos tipos de alimentos que deben formar parte de una alimentación saludable y la práctica de actividad física, combinándolas por vez primera en un mismo gráfico.

Segunda ley de la termodinámica

¿Ya recordaste qué dice la segunda ley? Efectivamente, esta ley establece que cuando la energía se convierte de una forma a otra, disminuye la cantidad de energía útil.

Durante un proceso de transformación de la energía, como la conversión de la energía química almacenada en la gasolina en energía cinética, solo el 25% lo alcanza, el 75% restante se transforma en energía térmica.

El calor es una forma de energía menos útil porque solo incrementa la energía cinética de las partes del coche, la carretera y el aire que se encuentra alrededor del automóvil. Es esta energía en forma de calor la que es captada por las moléculas del aire, contribuyendo así al cambio climático.

La segunda ley de la termodinámica nos indica que ningún proceso de conversión de energía, ni siquiera los que se efectúan en el cuerpo, son completamente eficientes en el empleo de la misma para obtener un resultado especifico. Por ende, existe una tendencia hacia la pérdida de complejidad, el orden y la energía útil, así como hacia el aumento en la aleatoriedad, el desorden y la energía menos útil. Esta tendencia se denomina entropía.

Es importante considerar que la Tierra no es un sistema cerrado, razón por la cual es indispensable el aporte energético de la radiación solar, que es la única fuente de energía que nos permite vivir en el mundo tal como lo conocemos.

Fotosíntesis

La siguiente ecuación muestra de manera simplificada las moléculas involucradas en la producción de glucosa en una planta mediante el proceso de fotosíntesis:

El proceso de fotosíntesis como tal lo descubrieron los científicos hace más de 200 años. Joseph Priestley (químico, físico y teólogo británico) en la década de 1770 estableció experimentalmente la producción de oxigeno por las plantas y planteaba la hipótesis de que el proceso podría ser el inverso de la respiración animal que consume oxigeno, sin embargo; fue Jan Ingenhousz quien en 1979 correlacionó la producción de oxigeno con la necesidad de luz y con las partes verdes de las plantas. A mediados de 1880 se había deducido que la fotosíntesis vegetal requiere dióxido de carbono, agua y la energía lumínica para producir materia orgánica y oxigeno.

La reacción de la fotosíntesis se lleva a cabo en un organelo de la célula vegetal llamado cloroplasto. La captación de la energía solar se realiza gracias a una molécula llamada clorofila, que además genera el color verde característico de las hojas de las plantas.

Si lo analizamos con detenimiento, los organismos productores permiten el intercambio de materia y energía entre todos los niveles de consumo de una cadena trófica, ya que son los encargados de transformar la abundante radiación solar y moléculas inorgánicas, como el CO2 y H2O por medio de la fotosíntesis, en moléculas orgánicas que proporcionan alimento.

Respiración celular

La energía química que las plantas u otros organismos autótrofos productores almacenan en los carbohidratos y otras moléculas, es liberada por las células de organismos heterótrofos, pertenecientes a niveles tróficos de consumidores primarios, por medio de la respiración celular.

Este proceso en presencia de oxígeno permite que moléculas como la glucosa sean divididas y se produzca una pequeña cantidad de energía, que será utilizada para sintetizar moléculas como el Adenosin Trifosfato (ATP), que aportará la energía necesaria para el trabajo biológico (división celular, mantenimiento de la temperatura corporal, etc.). A medida que el trabajo se va realizando, tal como lo explica la primera ley de la termodinámica, se genera calor que se disipará hacia el entorno.

Algunos organismos, como las bacterias anaerobias, viven en lugares donde la concentración de oxígeno es baja o nula, como en el subsuelo, en el fondo de estanques, en los intestinos de algunos animales y en otros ambientes con estas mismas características, y en esas condiciones realizan sus funciones vitales.

Fuente: Secretaría de Educación Pública. (2016). Ecología y medio ambiente. Ciudad de México.