Ecosistemas

  

    Introducción y vida en uno de los extremos

   Definir el término ecosistema no es tarea fácil, pues no todos los científicos tienen en cuenta los mismos elementos a la hora de estudiar el medio natural. No obstante, existen dos escuelas de pensamiento que pueden utilizarse como punto de partida para entender qué es un ecosistema. Una de ellas considera un ecosistema como "un área donde los distintos grupos de organismos experimentan condiciones similares". La otra lo define como "un sistema vivo de transferencia de energía, todo un conjunto de organismos que viven juntos unidos por transferencia de energía". La diferencia clave entre ambas descripciones es que mientras el área define a la primera, la segunda está determinada por las relaciones energéticas. Pero si se consideran conjuntamente, puede considerarse que un ecosistema es un conjunto de organismos y componentes abióticos vinculados por procesos de transferencia de energía y reciclado de materiales.

   Para examinar este concepto más detalladamente es aconsejable recurrir a ejemplos que resulten familiares para la mayoría, como puede ser una piscina natural en una playa rocosa.

Piscina natural. The Open University. 

   Al abordar el estudio de un ecosistema es necesario plantearse algunas cuestiones, que para este caso en particular podrían ser las siguientes: ¿cómo cambia la marea la naturaleza del ecosistema? ¿Cómo puede esto extrapolarse y aplicarse a otros ecosistemas con entornos físicos variables? ¿Qué papel tiene el sol en el mantenimiento del ecosistema?

  Como cualquier otro ecosistema, la piscina rocosa está vinculada a otros ecosistemas, lo que se hace evidente a diario con los cambios de marea, la cual modifica el agua de mar y los organismos (trayendo unos y llevándose otros) de la piscina, así como sus características físicas y las de los alrededores. Cuando la marea está baja la piscina es una colección de organismos que viven juntos en un espacio claramente definido, mientras que cuando la marea está alta puede no ser más que una pequeña depresión del fondo marino rocoso.

  Cualquier ecosistema está compuesto por seres vivos, un entorno físico y una fuente de energía. Entre los seres vivos pueden encontrarse desde ejemplares grandes (peces, algas, crustáceos, moluscos, etc.) hasta los que no pueden observarse a simple vista (plancton, bacterias), siendo todos importantes en el funcionamiento del ecosistema.

   En cuanto a los componentes físicos, los más evidentes son la roca que rodea a la piscina, el agua que hay en ella, y el aire (cuando la marea está baja). Pero estos factores físicos no son fijos; las mareas y el efecto de la luz del sol implican una alta capacidad de los organismos de soportar variaciones extremas, por ejemplo de temperatura y sal.

   Por último, casi toda la energía que obtiene la vida en la piscina llega en forma de luz solar. Parte de esta energía es capturada por las algas adheridas a la roca y las plantas microscópicas (plancton). Éstas son comidas por animales, que a su vez son devorados por otros más grandes. Otra fuente de energía puede ser la atracción gravitatoria de la Luna, que provoca el ascenso y el descenso de las mareas.     

Piscina rocosa. cinoby/iStockphoto.com 

   Resulta casi imposible comprender todas las interacciones que se producen en un ecosistema en un momento determinado, pero no qué tipos de interacciones están presentes en él. Existen muy diversos tipos de interacciones entre especies en todo sistema natural, entre las que destacan:

   - Comensalismo: una especie obtiene beneficios y no hay ningún efecto sobre la otra.

   - Amensalismo: un organismo se ve perjudicado en la relación y el otro no experimenta ninguna alteración.

   - Mutualismo: ambas especies se benefician.  

   - Parasitismo, depredación y herbivorismo: una especie gana y otra pierde.

   - Competencia: ambas especies, o individuos de una misma especie, pierden.

  La vida en la Tierra se basa en el carbono, y una característica clave de los ecosistemas es el paso del mismo a través del sistema como parte del ciclo de carbono. La energía del sol es capturada en las hojas de las plantas y conduce la incorporación de carbono en moléculas orgánicas. Así, el dióxido de carbono se combina con agua para producir moléculas simples, fenómeno conocido como fotosíntesis, base de toda vida. Se entiende, pues, que la productividad de un ecosistema se ve afectada por las disponibilidades de luz, agua, dióxido de carbono y nutrientes.

   Hábitats extremos

  Las condiciones en los desiertos y en los Polos son muy duras, por lo que los organismos que viven en estos hábitats poseen una serie de adaptaciones que les permiten vivir allí, aunque, a menudo, al borde de la supervivencia. Parte de la comprensión de los ecosistemas en su conjunto consiste en entender cómo sobreviven esos organismos, lo cual implica considerar un amplio rango de características, como su anatomía, comportamiento, fisiología y bioquímica.

   Desiertos

 

Desierto de Wahiba, Omán. Mlenny/iStockphoto.com

   Los desiertos tienen un clima único, con organismos característicos que desarrollan sus propios nichos. Un nicho abarca el papel del organismo dentro del ecosistema, la forma en que come, lo que come, y sus depredadores. Puede haber nichos vacíos en un hábitat, o incluso un invasor puede ocupar un nicho expulsando a la especie que normalmente lo ocupa, pues dos especies diferentes, en general, no pueden establecerse en la misma localización geográfica.

  En los desiertos, los nichos insectívoros, herbívoros y granívoros suelen estar ocupados por pequeños animales, incluyendo artrópodos, lagartijas, pequeños pájaros, roedores, ardillas y musarañas. Animales de mayor tamaño, como liebres, gacelas, camellos y avestruces ocupan nichos de pastoreo. Los depredadores suelen ser zorros (en todos los desiertos) y pumas (E.E.U.U. y México). Todos ellos hacen uso de una gran variedad de microambientes y sus microclimas asociados, áreas a pequeña escala en las que el clima es diferente al del hábitat en su conjunto. Por ejemplo, una cavidad bajo una roca (microambiente) tendría una temperatura ambiente (Ta) más baja que la superficie y, por tanto, un microclima diferente. 

   Un desierto de arena hiperárida, como el de Arabia, tiene una relativa baja diversidad de microambientes y microclimas asociados disponibles en la superficie para los vertebrados. Sin embargo, a pocos centímetros de profundidad, la arena es más fría, proporcionando un microambiente fresco para ellos. En contraste con estos desiertos se encuentran los americanos, como el de Sonora, que ofrecen una amplia gama de microambientes, por lo que en ellos viven un mayor número de vertebrados.

    Relación superficie/volumen  

   La manera en que los animales interactúan con el medio ambiente se ve afectado por el tamaño y la forma de sus cuerpos. Por ello, un método para clasificar a los animales del desierto es atender al tamaño de su cuerpo y al grado de evaporación.

Relaciones superficie/volumen. The Open University.

   

   Si se representa a un animal pequeño como un cubo y se hace un modelo a gran escala de dos tamaños naturales, todas las dimensiones lineales del animal de mayor tamaño serían dos veces más grandes. Sin embargo, en el modelo el área de superficie no se incrementaría en un factor de 2, ni tampoco el volumen, como se puede ver comparando en la figura los puntos a y b. Si las dimensiones lineales se doblan, el área de superficie aumenta en un factor de 4 (22), y el volumen en un factor de 8 (23). Así, la relación superficie/volumen es menor en un animal grande que en uno pequeño, y puesto que el calor se transfiere en la superficie, un animal pequeño tiene un mayor potencial de obtener y perder calor rápidamente que uno mayor, debido a su área superficial relativamente grande. A su vez, un animal pequeño tiene un mayor potencial relativo para la pérdida de agua por evaporación.

   Sin embargo, los animales no tienen forma cúbica, de modo que las especies que viven en los desiertos han desarrollado características que les permiten aumentar su superficie en relación a su volumen.

    Estrategias de comportamiento en evasores

   Los evasores son un grupo de pequeños animales que incluye anfibios, reptiles y mamíferos, roedores e insectívoros del desierto. El término hace referencia a su conducta, que les ayuda a evitar el sobrecalentamiento en los días calurosos y soleados, disminuyendo la necesidad de refrigeración mediante evaporación de agua, algo no viable para pequeños animales que viven en un hábitat árido. Los evasores hacen uso de microambientes como grietas en las rocas, madrigueras subterráneas y sombras proyectadas por las plantas para su termorregulación conductual. También evitan el enfriamiento excesivo del cuerpo retirándose para buscar protección cuando Ta se desploma por la noche.

    Los evasores extremos son las ranas del desierto Cyclorana spp y Neobatrachus spp, ambas de Australia, que pasan la mayor parte del año en estivación dentro de una madriguera. La estivación es un tipo especial de latencia que permite a los animales sobrevivir con altas Ta y falta de agua durante la estación seca. Durante la corta estación lluviosa, estas ranas acumulan agua en la vejiga y, para evitar su pérdida hacia el suelo seco, se rodean de un capullo; al final de la temporada de lluvias, las ranas se entierran en el suelo y sus pieles se someten a un proceso de muda en la que las capas de la epidermis se separan del cuerpo, pero sin llegar a caer, formando una crisálida protectora que cubre todo su cuerpo excepto las fosas nasales. El capullo se espesa cada vez más, se queratiniza enormemente e impide que la rana pierda agua durante los nueve o diez meses que dura la estivación. Al comienzo de la estación húmeda, las fuertes lluvias provocan la filtración del agua dentro de la madriguera, estimulando a las ranas para emerger de nuevo a la superficie para alimentarse y reproducirse.

Cyclorana spp (izquierda) y Neobatrachus spp (derecha). Robinson, M., A Field Guide to Frogs of Australia.

   Los reptiles son los vertebrados que más  posibilidades hay de ver en un desierto. Con una piel escamosa queratinizada, no son tan propensos a perder agua por evaporación como los anfibios. Son ectotermos, por lo que dependen de fuentes externas para calentar y mantener una alta temperatura corporal (Tb) en sus cuerpos durante el día. Por ejemplo, los lagartos del desierto obtienen energía térmica a través de la radiación solar, la atmósfera y el suelo. A su vez, pierden energía térmica a través de conducción (del cuerpo al suelo), pérdida de agua por evaporación, convección y radiación térmica hacia el cielo. 

   

   En un día soleado, los lagartos obtienen más calor del que desprenden, de modo que es importante para ellos evitar el sobrecalentamiento, así como reducir la pérdida de calor corporal cuando Ta baja en la noche o durante el invierno. Durante el día, los reptiles pueden moverse entre áreas cálidas y frías para mantener Tb. Aquellas especies que mantienen una alta Tb cuando las condiciones ambientales permiten la adopción de estrategias para ello se denominan especialistas térmicas. Por el contrario, existen otras especies, conocidas como generalistas térmicas, que permiten fluctuaciones de Tb aún cuando podrían utilizar las características del medio para mantenerla constante (cobijándose bajo una roca, por ejemplo). 

    

Lagarto expuesto al sol. The Open University.

   La salamanquesa común es una generalista térmica nocturna; durante las pimeras horas del día toma el sol hasta que su piel se vuelve prácticamente negra, mientras que por la noche es muy pálida. Las ventajas que se obtienen del cambio de color en la piel son bastante obvias: los colores oscuros absorben e irradian calor mucho mejor que los claros. Por la noche, un color claro debe reducir la pérdida de calor por radiación, y no hay mucho calor disponible para absorber. Por el contrario, durante el día la piel oscura facilita la absorción de calor y, aunque es cierto que también se induce la radiación hacia la atmósfera, el calor que se pierde carece de importancia si se compara con la gran cantidad absorbida.

   La ventaja concreta que adquiere la salamanquesa al calentarse por la mañana no está del todo clara, aunque existen indicios que apuntan a la necesidad de un proceso fisiológico: la digestión de los alimentos ingeridos durante la noche, para lo cual necesita una Tb más alta de la que puede mantener durante la noche. Esta capacidad de variar el color de la piel muestra que la termorregulación conductual en los reptiles se complementa con mecanismos fisiológicos. 

   La temperatura de la superficie del desierto, de la arena, cambia a lo largo de un día, tanto en verano como en invierno. Sin embargo, bajo ella existe una temperatura benigna en todos los tramos del día, en ambas estaciones. Por tanto, las madrigueras proporcionan microambientes importantes para muchos evasores del desierto, variando su uso y estructura en función de la especie. Para la tortuga del desierto (Xerobates agassizii), por ejemplo, una madriguera supone un refugio clave para su termorregulación, estivación en verano e hibernación en invierno. Las tortugas comienzan a alimentarse por la mañana, y al mediodía se retiran a sus madrigueras para protegerse de la alta Ta. 

   Estrategias conductuales de los evaporadores

   Los evaporadores son animales que dependen de una suficiente ingesta de agua que les permita enfriar Tb para refrescarse por evaporación. Pocas de estas especies son capaces de sobrevivir en los desiertos, y los que lo hacen viven en los límites de los mismos, donde tienen acceso al agua, o bien tienen adaptaciones de comportamiento y fisiológicas que reducen su dependencia de refrigerarse por evaporación. Así, para los evaporadores la evasión puede suponer una parte importante de su estrategia de termorregulación. Los evaporadores comprenden mamíferos de tamaño mediano, como liebres, perros o zorros, y también aves.

Liebre mostrando una adaptación para lidiar con un ambiente tan severo. The Open University.

   Las liebres del desierto, aunque son bastante pequeñas (pesan unos dos kilos), no se entierran, por lo que tendrían que perder un 4% de su masa corporal cada hora para poder termorregularse por evaporación. Su problema es la poca o nula disponibilidad de agua a su alrededor, por lo que deben obtenerla de la dieta, las plantas, incluidos los cactos. Durante la franja horaria más calurosa del día, las liebres escogen una depresión con sombra en el suelo, a menudo al abrigo de un arbusto (ver imagen superior). El fondo de la depresión les proporcionan una temperatura mucho más baja que la del resto de la arena, el viento caliente del desierto y gran parte de la radiación que pasa por encima de sus cabezas. Desde esa posición pueden orientar sus grandes orejas hacia algún claro del cielo; la temperatura de la radiación del cielo del norte al mediodía es de sólo 13ºC, por lo que las orejas, que están altamente vascularizadas y tienen una temperatura de unos 38ºC se dirigen hacia él, y así las liebres pueden irradiar aproximadamente la mitad de su producción metabólica (13 KJ/h). Luego, por la noche, se dedican a alimentarse.

   Estrategias conductuales de los sufridores

   Los sufridores son los grandes mamíferos, como el oryx y el camello, y las grandes aves del desierto, incluyendo avestruces y emús. El término "sufridores" se debe a que estos animales se ven obligados a soportar las condiciones extremas de su entorno, ya que no pueden refugiarse de la alta Ta y la intensa radiación durante el día. ni de la baja Ta en la noche, pues son demasiado grandes como para usar madrigueras o guaridas. Sin embargo, también han desarrollado sus propias estrategias: los grandes mamíferos suelen estar inactivos durante la mayor parte del día, lo que reduce la producción de calor metabólico. Es lo que hace el oryx, que en los días calurosos cava con sus pezuñas para extraer la arena fresca bajo la superficie y sentarse sobre ella, perdiendo calor por conducción. También puede permanecer sentado a la sombra de los árboles, y se alimenta durante la noche, evitando la exposición a altas Ta y a la radiación solar. Incorpora agua a su organismo gracias a las plantas que come.

  La gacela común, por su parte, vive en la frontera del desierto del Sahara y es la especie más pequeña de gacela, con un peso de entre 15 y 20 kilos. Tiene extremidades y orejas muy grandes en relación a su cuerpo,  lo que maximiza cualquier enfriamiento convectivo causado por la brisa. Como el oryx, puede sobrevivir sin beber agua y se alimenta durante la noche.

  Como se ha visto, largos miembros, colas o cuellos, proporcionan grandes superficies por las que el calor puede ser disipado, y los patrones de comportamiento pueden maximizar dicha disipación. El avestruz es el ave más grande, alcanzando un peso de hasta 150 kg, y a diferencia del oryx o la gacela, se alimenta durante el día seleccionando plantas con alto contenido en agua. Su cuello desnudo y sus largas patas le ofrecen una gran superficie de enfriamiento por convección y radiación, especialmente en días ventosos. Las plumas largas de la zona dorsal del animal aumentan el espesor del aislamiento entre la radiación solar y la piel, mientras que los huecos entre las plumas permiten el paso de aire, enfriando la piel por convección. Para completar la respuesta fisiológica a la parte más calurosa del día, estas aves inclinan sus alas formando un paraguas que da sombra al tórax, cuya piel desnuda actúa como superficie para perder calor por radiación y convección. Por la noche, cuando cae la Ta, las avestruces conservan el calor plegando las alas cerca del tórax y situando las patas desnudas bajo el cuerpo mientras se sientan en el suelo. 

   Conclusiones

  La pérdida de agua por evaporación es el medio más eficaz para reducir la temperatura del cuerpo durante el estrés calórico. Sin embargo, prácticamente no hay agua disponible en los desiertos. Por ello, para todos los grupos de vertebrados que viven allí las estrategias de comportamiento para el mantenimiento de Tb juegan un papel crucial en la prevención del sobrecalentamiento del cuerpo, lo que reduce la necesidad de refrigeración por evaporación, conservando el agua. Estas estrategias de comportamiento para controlar la temperatura corporal se relacionan estrechamente con mecanismos bioquímicos y fisiológicos.

   Los animales del desierto se clasifican en función de su tamaño corporal y su fisiología en tres grupos: evasores, evaporadores y sufridores. Según esta clasificación, cuanto más pequeño es el animal, mayor es su relación superficie/volumen, ganando y perdiendo calor más rápido que los animales grandes, o lo que es lo mismo, calentándose rápidamente cuando están expuestos a la radiación solar y enfriándose rápidamente por la noche.

 Los evasores endotérmicos pequeños, como las ratas, descansan en microambientes frescos, como sombras o madrigueras, durante el día. Los lagartos, evasores ectotérmicos, regulan Tb durante el día yendo y viniendo entre las zonas soleadas y las de protección, evitando la hipotermia nocturna retirándose a sus madrigueras. Los evaporadores nocturnos, como los zorros, permanecen en madrigueras frescas durante el día. Los sufridores, especies de gran tamaño, como el oryx, se alimentan por la noche y permanecen sentados a la sombra durante el día. 

   En la siguiente publicación se estudiarán los hábitats fríos, el mundo microscópico, los impactos humanos y los ecosistemas frágiles.