Biología para Mayores II

Distinguir entre componentes abióticos y bióticos del medio ambiente

Muchas fuerzas influyen en las comunidades de organismos vivos presentes en diferentes partes de la biosfera ( todas las partes de la Tierra habitadas por vida). La biosfera se extiende hacia la atmósfera (varios kilómetros por encima de la Tierra) y hacia las profundidades de los océanos. A pesar de su aparente inmensidad para un ser humano individual, la biosfera ocupa solo un espacio diminuto en comparación con el universo conocido. Muchas fuerzas abióticas influyen en el lugar donde puede existir la vida y los tipos de organismos que se encuentran en diferentes partes de la biosfera. Los factores abióticos influyen en la distribución del clima, la flora y la fauna.

Biogeografía

Biogeografía es el estudio de la distribución geográfica de los seres vivos y los factores abióticos que afectan su distribución. Los factores abióticos como la temperatura y las precipitaciones varían según la latitud y la elevación. A medida que estos factores abióticos cambian, también cambia la composición de las comunidades de plantas y animales. Por ejemplo, si tuviera que comenzar un viaje en el ecuador y caminar hacia el norte, notaría cambios graduales en las comunidades de plantas. Al comienzo de su viaje, verá bosques tropicales húmedos con árboles de hoja perenne de hoja ancha, que son característicos de las comunidades de plantas que se encuentran cerca del ecuador. Mientras continuaba su viaje hacia el norte, vería que estas plantas de hoja perenne de hoja ancha eventualmente daban lugar a bosques estacionalmente secos con árboles dispersos. También empezaría a notar cambios de temperatura y humedad. Aproximadamente a 30 grados al norte, estos bosques darían paso a desiertos, que se caracterizan por una baja precipitación.

Si se mueve más al norte, verá que los desiertos son reemplazados por pastizales o praderas. Finalmente, los pastizales son reemplazados por bosques templados caducifolios. Estos bosques caducifolios dan paso a los bosques boreales que se encuentran en el subártico, el área al sur del Círculo Polar Ártico. Finalmente, llegaría a la tundra ártica, que se encuentra en las latitudes más septentrionales. Esta caminata hacia el norte revela cambios graduales tanto en el clima como en los tipos de organismos que se han adaptado a factores ambientales asociados con ecosistemas que se encuentran en diferentes latitudes. Sin embargo, existen diferentes ecosistemas en la misma latitud debido en parte a factores abióticos como las corrientes en chorro, la corriente del Golfo y las corrientes oceánicas. Si fueras a escalar una montaña, los cambios que verías en la vegetación serían paralelos a los que te mueves a latitudes más altas.

Distribución de especies

Los ecologistas que estudian biogeografía examinan patrones de distribución de especies. No existe ninguna especie en todas partes; por ejemplo, la Venus atrapamoscas es endémica de un área pequeña en Carolina del Norte y del Sur. Una especie endémica es aquella que se encuentra naturalmente solo en un área geográfica específica que generalmente tiene un tamaño restringido. Otras especies son generalistas: especies que viven en una amplia variedad de áreas geográficas; el mapache, por ejemplo, es nativo de la mayor parte de América del Norte y Central.

Los patrones de distribución de las especies se basan en factores bióticos y abióticos y sus influencias durante los largos períodos de tiempo necesarios para la evolución de las especies; por lo tanto, los primeros estudios de biogeografía estuvieron estrechamente vinculados al surgimiento del pensamiento evolutivo en el siglo XVIII. Algunos de los conjuntos más distintivos de plantas y animales se encuentran en regiones que han estado separadas físicamente durante millones de años por barreras geográficas. Los biólogos estiman que Australia, por ejemplo, tiene entre 600.000 y 700.000 especies de plantas y animales. Aproximadamente 3/4 de las especies de plantas y mamíferos vivos son especies endémicas que se encuentran únicamente en Australia (Figura 1).

Figura 1. Australia es el hogar de muchas especies endémicas. El (a) ualabí (Wallabia bicolor), un miembro de tamaño mediano de la familia de los canguros, es un mamífero con bolsa o marsupial. El (b) equidna (Tachyglossus aculeatus) es un mamífero que pone huevos. (crédito a: modificación del trabajo de Derrick Coetzee; crédito b: modificación del trabajo de Allan Whittome)

A veces, los ecólogos descubren patrones únicos de distribución de especies al determinar dónde no se encuentran las especies. Hawaii, por ejemplo, no tiene especies nativas de reptiles o anfibios, y solo tiene un mamífero terrestre nativo, el murciélago canoso. La mayor parte de Nueva Guinea, como otro ejemplo, carece de mamíferos placentarios.

Las plantas pueden ser endémicas o generalistas: las plantas endémicas se encuentran solo en regiones específicas de la Tierra, mientras que las generalistas se encuentran en muchas regiones. Las masas de tierra aisladas, como Australia, Hawai y Madagascar, suelen tener un gran número de especies de plantas endémicas. Algunas de estas plantas están en peligro debido a la actividad humana. La gardenia del bosque (Gardenia brighamii), por ejemplo, es endémica de Hawai; se cree que solo existen entre 15 y 20 árboles.

Fuentes de energía

Figura 2. La belleza de la primavera es una planta de primavera efímera que florece temprano en la primavera para evitar competir con los árboles del bosque más grandes por la luz solar. (crédito: John Beetham)

La energía del sol es capturada por plantas verdes, algas, cianobacterias y protistas fotosintéticos. Estos organismos convierten la energía solar en la energía química que necesitan todos los seres vivos. La disponibilidad de luz puede ser una fuerza importante que afecta directamente la evolución de las adaptaciones en los fotosintetizadores. Por ejemplo, las plantas en el sotobosque de un bosque templado se sombrean cuando los árboles sobre ellas en el dosel se deshojan completamente a fines de la primavera. No es sorprendente que las plantas del sotobosque tengan adaptaciones para capturar con éxito la luz disponible. Una de esas adaptaciones es el rápido crecimiento de plantas efímeras de primavera, como la belleza de la primavera (Figura 2). Estas flores de primavera logran gran parte de su crecimiento y terminan su ciclo de vida (se reproducen) temprano en la temporada antes de que los árboles del dosel desarrollen hojas.

En los ecosistemas acuáticos, la disponibilidad de luz puede ser limitada porque la luz solar es absorbido por agua, plantas, partículas en suspensión y microorganismos residentes. Hacia el fondo de un lago, estanque u océano, hay una zona que la luz no puede alcanzar. La fotosíntesis no puede tener lugar allí y, como resultado, se han desarrollado una serie de adaptaciones que permiten a los seres vivos sobrevivir sin luz. Por ejemplo, las plantas acuáticas tienen tejido fotosintético cerca de la superficie del agua; por ejemplo, piense en las hojas anchas y flotantes de un nenúfar: los nenúfares no pueden sobrevivir sin luz. En entornos como los respiraderos hidrotermales, algunas bacterias extraen energía de sustancias químicas inorgánicas porque no hay luz para la fotosíntesis.

Figura 3. El afloramiento oceánico es un proceso importante que recicla nutrientes y energía en el océano. A medida que el viento (flechas verdes) empuja mar adentro, hace que el agua del fondo del océano (flechas rojas) se mueva a la superficie, trayendo nutrientes de las profundidades del océano.

La disponibilidad de nutrientes en Los sistemas acuáticos también son un aspecto importante de la energía o la fotosíntesis. Muchos organismos se hunden hasta el fondo del océano cuando mueren en aguas abiertas; cuando esto ocurre, la energía que se encuentra en ese organismo vivo se secuestra durante algún tiempo a menos que se produzca un afloramiento oceánico. La surgencia oceánica es el aumento de las aguas profundas del océano que se produce cuando los vientos predominantes soplan a lo largo de las aguas superficiales cerca de la costa (Figura 3). A medida que el viento empuja las aguas del océano mar adentro, el agua del fondo del océano se mueve hacia arriba para reemplazar esta agua. Como resultado, los nutrientes que alguna vez estuvieron contenidos en los organismos muertos están disponibles para su reutilización por otros organismos vivos.

En los sistemas de agua dulce, el reciclaje de nutrientes ocurre en respuesta a los cambios de temperatura del aire. Los nutrientes del fondo de los lagos se reciclan dos veces al año: en primavera y otoño. La rotación de primavera y otoño es un proceso estacional que recicla los nutrientes y el oxígeno del fondo de un ecosistema de agua dulce a la superficie de un cuerpo de agua. Estas pérdidas son causadas por la formación de una termoclina: una capa de agua con una temperatura que es significativamente diferente a la de las capas circundantes. En invierno, la superficie de los lagos que se encuentran en muchas regiones del norte está congelada. Sin embargo, el agua debajo del hielo es un poco más cálida, y el agua en el fondo del lago es más cálida aún a 4 ° C a 5 ° C (39.2 ° F a 41 ° F). El agua es más densa a 4 ° C; por lo tanto, el agua más profunda también es la más densa. El agua más profunda es pobre en oxígeno porque la descomposición de material orgánico en el fondo del lago consume el oxígeno disponible que no se puede reemplazar mediante la difusión de oxígeno en el agua debido a la capa de hielo superficial.

Figura 4. Los cambios de primavera y otoño son procesos importantes en los lagos de agua dulce que actúan para mover los nutrientes y el oxígeno en el fondo de los lagos profundos a la cima. La rotación se produce porque el agua tiene una densidad máxima a 4 ° C. La temperatura del agua superficial cambia a medida que avanzan las estaciones y el agua se hunde más densa.

En primavera, la temperatura del aire aumenta y el hielo de la superficie se derrite. Cuando la temperatura del agua superficial comienza a alcanzar los 4 ° C, el agua se vuelve más pesada y se hunde hasta el fondo. El agua en el fondo del lago es luego desplazada por el agua superficial más pesada y, por lo tanto, sube a la cima. A medida que el agua sube a la superficie, los sedimentos y nutrientes del fondo del lago se llevan consigo. Durante los meses de verano, el agua del lago se estratifica, o forma capas de temperatura, con el agua más caliente en la superficie del lago.

A medida que la temperatura del aire desciende en el otoño, la temperatura del agua del lago se enfría a 4 ° C; por lo tanto, esto provoca la caída de rotación cuando el agua fría pesada se hunde y desplaza el agua en el fondo. El agua rica en oxígeno en la superficie del lago luego se mueve hacia el fondo del lago, mientras que los nutrientes en el fondo del lago suben a la superficie. Durante el invierno, los descomponedores y otros organismos que requieren oxígeno, como los peces, utilizan el oxígeno del fondo del lago.

Temperatura

Figura 5. Esta colorida fuente termal en el Parque Nacional Yellowstone, ubicada en Midway Geyser Basin, es la fuente termal más grande de los Estados Unidos y la tercera más grande del mundo. Su rico color es el resultado de los organismos termófilos que viven a lo largo de los bordes de las aguas termales.

La temperatura afecta la fisiología de los seres vivos, así como la densidad y el estado del agua. La temperatura ejerce una influencia importante sobre los seres vivos porque pocos seres vivos pueden sobrevivir a temperaturas inferiores a 0 ° C (32 ° F) debido a limitaciones metabólicas. También es raro que los seres vivos sobrevivan a temperaturas superiores a 45 ° C (113 ° F); esto es un reflejo de la respuesta evolutiva a las temperaturas típicas. Las enzimas son más eficientes dentro de un rango de temperaturas estrecho y específico; la degradación de la enzima puede ocurrir a temperaturas más altas. Por lo tanto, los organismos deben mantener una temperatura interna o deben habitar un ambiente que mantendrá al cuerpo dentro de un rango de temperatura que apoye el metabolismo. Algunos animales se han adaptado para permitir que sus cuerpos sobrevivan a fluctuaciones significativas de temperatura, como las que se ven en la hibernación o el letargo de los reptiles. De manera similar, algunas bacterias están adaptadas para sobrevivir en temperaturas extremadamente altas, como los géiseres. Estas bacterias son ejemplos de extremófilos: organismos que prosperan en ambientes extremos.

La temperatura puede limitar la distribución de los seres vivos. Los animales que se enfrentan a fluctuaciones de temperatura pueden responder con adaptaciones, como la migración, para sobrevivir. La migración, el movimiento de un lugar a otro, es una adaptación que se encuentra en muchos animales, incluidos muchos que habitan en climas estacionales fríos. La migración resuelve problemas relacionados con la temperatura, la localización de alimentos y la búsqueda de pareja. En la migración, por ejemplo, el charrán ártico (Sterna paradisaea) realiza un vuelo de ida y vuelta de 40.000 km (24.000 millas) cada año entre sus zonas de alimentación en el hemisferio sur y sus zonas de reproducción en el océano Ártico. Las mariposas monarca (Danaus plexippus) viven en el este de los Estados Unidos en los meses más cálidos y migran a México y el sur de los Estados Unidos en el invierno. Algunas especies de mamíferos también realizan incursiones migratorias. Los renos (Rangifer tarandus) viajan unos 5.000 km (3.100 millas) cada año para encontrar comida. Los anfibios y reptiles tienen una distribución más limitada porque carecen de capacidad migratoria. No todos los animales que pueden migrar lo hacen: la migración conlleva riesgos y tiene un alto costo de energía.

Figura 6. Las ardillas listadas hibernan durante el invierno, pero salen del sueño cada pocos días para comer.

Algunos animales hibernan o estivan para sobrevivir a temperaturas hostiles. La hibernación permite a los animales sobrevivir a las condiciones frías, y la estivación permite que los animales sobrevivan a las condiciones hostiles de un clima cálido y seco. Los animales que hibernan o estivan entran en un estado conocido como letargo: una condición en la que su tasa metabólica se reduce significativamente. Esto permite que el animal espere hasta que su entorno apoye mejor su supervivencia. Algunos anfibios, como la rana de madera (Rana sylvatica), tienen un químico similar al anticongelante en sus células, que retiene la integridad de las células y evita que revienten.

Factores abióticos que influyen en el crecimiento de las plantas

La temperatura y la humedad son influencias importantes en la producción vegetal (productividad primaria) y la cantidad de materia orgánica disponible como alimento (productividad primaria neta).La productividad primaria neta es una estimación de toda la materia orgánica disponible como alimento; se calcula como la cantidad total de carbono fijado por año menos la cantidad que se oxida durante la respiración celular. En ambientes terrestres, la productividad primaria neta se estima midiendo la biomasa aérea por unidad de área, que es la masa total de plantas vivas, excluidas las raíces. Esto significa que un gran porcentaje de la biomasa vegetal que existe bajo tierra no se incluye en esta medición. La productividad primaria neta es una variable importante al considerar las diferencias en los biomas. Los biomas muy productivos tienen un alto nivel de biomasa aérea.

La producción anual de biomasa está directamente relacionada con los componentes abióticos del medio ambiente. Los entornos con la mayor cantidad de biomasa tienen condiciones en las que se optimizan la fotosíntesis, el crecimiento de las plantas y la productividad primaria neta resultante. El clima de estas áreas es cálido y húmedo. La fotosíntesis puede desarrollarse a un ritmo elevado, las enzimas pueden funcionar de forma más eficiente y los estomas pueden permanecer abiertos sin riesgo de transpiración excesiva; en conjunto, estos factores llevan a que la cantidad máxima de dióxido de carbono (CO2) ingrese a la planta, lo que resulta en una alta producción de biomasa. La biomasa aérea produce varios recursos importantes para otros seres vivos, incluidos el hábitat y los alimentos. Por el contrario, los ambientes secos y fríos tienen tasas de fotosíntesis más bajas y por lo tanto menos biomasa. Las comunidades animales que viven allí también se verán afectadas por la disminución de alimentos disponibles.

Nutrientes inorgánicos y suelo

Los nutrientes inorgánicos, como el nitrógeno y el fósforo, son importantes en la distribución y el abundancia de seres vivos. Las plantas obtienen estos nutrientes inorgánicos del suelo cuando el agua ingresa a la planta a través de las raíces. Por lo tanto, la estructura del suelo (tamaño de partícula de los componentes del suelo), el pH del suelo y el contenido de nutrientes del suelo juegan un papel importante en la distribución de las plantas. Los animales obtienen nutrientes inorgánicos de los alimentos que consumen. Por tanto, las distribuciones de los animales están relacionadas con la distribución de lo que comen. En algunos casos, los animales seguirán sus recursos alimenticios a medida que se mueven por el medio ambiente.

Agua

Todos los seres vivos necesitan agua porque es fundamental para los procesos celulares. Dado que los organismos terrestres pierden agua en el medio ambiente por simple difusión, han desarrollado muchas adaptaciones para retener el agua.

• Los animales estarán cubiertos por una piel o cutícula aceitosa o cerosa para retener la humedad.
• Las plantas tienen una serie de características interesantes en sus hojas, como pelos de las hojas y una cutícula cerosa, que sirven para disminuir la tasa de pérdida de agua por transpiración.

Organismos rodeados de el agua no es inmune al desequilibrio hídrico; ellos también tienen adaptaciones únicas para manejar el agua dentro y fuera de las células.

• Los organismos de agua dulce están rodeados de agua y están constantemente en peligro de que el agua entre en sus células debido a la ósmosis. Muchas adaptaciones de organismos que viven en ambientes de agua dulce han evolucionado para asegurar que las concentraciones de solutos en sus cuerpos permanezcan dentro de los niveles apropiados. Una de esas adaptaciones es la excreción de orina diluida; La orina diluida tiene una baja concentración de solutos y es principalmente agua, lo que les permite expulsar el exceso de agua.
• Los organismos marinos están rodeados de agua con una concentración de solutos más alta que el organismo y, por lo tanto, están en peligro de perdiendo agua al medio ambiente debido a la ósmosis. Estos organismos tienen adaptaciones morfológicas y fisiológicas para retener agua y liberar solutos al medio ambiente. Por ejemplo, las iguanas marinas (Amblyrhynchus cristatus), estornudan el vapor de agua con alto contenido de sal para mantener las concentraciones de soluto dentro de un rango aceptable mientras nadan en el océano y comen plantas marinas.

Otros factores acuáticos

Algunos factores abióticos, como el oxígeno, son importantes tanto en los ecosistemas acuáticos como en los entornos terrestres. Los animales terrestres obtienen oxígeno del aire que respiran. Sin embargo, la disponibilidad de oxígeno puede ser un problema para los organismos que viven en alturas muy elevadas, donde hay menos moléculas de oxígeno en el aire. En los sistemas acuáticos, la concentración de oxígeno disuelto está relacionada con la temperatura del agua y la velocidad a la que se mueve. El agua fría tiene más oxígeno disuelto que el agua más caliente. Además, la salinidad, la corriente y la marea pueden ser factores abióticos importantes en los ecosistemas acuáticos.

Otros factores terrestres

Figura 7. Los conos maduros del pino jack se abren solo cuando se exponen a altas temperaturas, como durante un incendio forestal. (crédito: USDA)

El viento puede ser un factor abiótico importante porque influye en la tasa de evaporación y transpiración.La fuerza física del viento también es importante porque puede mover el suelo, el agua u otros factores abióticos, así como los organismos de un ecosistema.

El fuego es otro factor terrestre que puede ser un importante agente de perturbación en la tierra. ecosistemas. Algunos organismos están adaptados al fuego y, por lo tanto, requieren el alto calor asociado con el fuego para completar una parte de su ciclo de vida. Por ejemplo, el pino jurel (Pinus banksiana), un árbol de coníferas, requiere calor del fuego para que se abran los conos de las semillas. Es probable que un incendio mate la mayor parte de la vegetación, por lo que es más probable que una plántula que germina después de un incendio reciba mucha luz solar que una que germina en condiciones normales. A través de la quema de agujas de pino, el fuego agrega nitrógeno al suelo y limita la competencia al destruir la maleza.

Verifique su comprensión

Responda las preguntas a continuación para ver qué tan bien comprende los temas tratados en la sección anterior. Este breve cuestionario no cuenta para su calificación en la clase y puede volver a tomarlo un número ilimitado de veces.

Utilice este cuestionario para verificar su comprensión y decidir si (1) estudiar más la sección anterior o (2) pasar a la siguiente sección.