Dinámica energética: Laboratorio de biología

Energía en sistemas biológicos

En algún lugar de sus estudios de ciencias, probablemente aprendió que toda la energía de los organismos vivos se deriva de una sola fuente: el sol. Las plantas transforman la energía del sol en energía química. Esta energía se transfiere a los animales que comen las plantas, y luego pasa a otros animales que se comen a esos animales y así sucesivamente, en lo que conocemos como una cadena alimentaria.

Bueno, es hora de intensificar un poco el juego de la energía de su ecosistema, porque no es tan simple. Comencemos repasando algo de vocabulario. Los productores, como recordará, son organismos que transforman la energía de la luz (o, a veces, los productos químicos inorgánicos) en energía química utilizable, generalmente en forma de azúcar simple glucosa. Los ecologistas dicen que la energía total producida por los productores en un ecosistema en un período de tiempo determinado se llama productividad primaria bruta o GPP .

Las plantas usan parte de esta energía para mantener la vida en la respiración celular. El resto lo utilizan para crear más células (también conocidas como en crecimiento) y para reproducirse. La energía que las plantas ‘devuelven’ al ecosistema al crear más células y tejidos se denomina productividad primaria neta o NPP . Por tanto, GPP – R (energía utilizada en la respiración) = NPP.

Puede pensar en NPP como la cantidad de energía en un ecosistema que está disponible para, por ejemplo, ser consumida por un animal. Esta energía almacenada en células y tejidos también se llama biomasa .

Investigación: Flujo de energía a través de las plantas

Podemos rastrear el flujo de energía (medido en kilocalorías o kcal) a través de un ecosistema estimando su NPP. Observe el uso deliberado de la palabra “estimación”. Esto es importante por muchas razones. Primero, a medida que la energía fluye entre los organismos de un ecosistema, parte del medio ambiente se pierde (principalmente en forma de calor). Esta pérdida puede ser difícil de medir con precisión.

En segundo lugar, los ecólogos estiman la productividad de un ecosistema midiendo el cambio en la biomasa vegetal a lo largo del tiempo. Para tener una idea real de cuánta energía hay en cada gramo de materia vegetal, eliminaría a sus plantas de toda su agua, que no proporciona ninguna energía. Desafortunadamente, eso también mataría las plantas, por lo que no podría tomar la segunda medición necesaria para calcular correctamente el cambio en la biomasa. En tercer lugar, la energía proviene de diferentes moléculas y estas moléculas contienen diferentes cantidades de energía. Las grasas, por ejemplo, almacenan nueve calorías / g, mientras que los carbohidratos almacenan alrededor de cuatro. Entonces, una planta que tiene más grasas en sus células retendría más energía que una planta que tiene más almidones.

Repasemos cómo podríamos, en teoría, crear un ecosistema de ejemplo. Comenzaremos estimando el flujo de energía a través de una planta. Para mayor facilidad, elegiremos como ejemplo la planta brassica rapa , un miembro de la familia de las coles. ¿Cómo fluye la energía a través de la planta? La energía de la luz es absorbida por la planta y, finalmente, se libera como residuo, se utiliza para la respiración o se convierte en biomasa.

Si tenemos una población de alrededor de 50 plantas, todas de Brassica rapa , todas plantadas al mismo tiempo y todas cultivadas en las mismas condiciones, podemos estimar la biomasa de una planta secando diez plantas el día siete y luego pesándolas una vez más. del agua se ha eliminado. Podemos usar nuestros datos para hacer una tabla como esta. Tenga en cuenta que el valor de 4,35 kcal es un valor estándar derivado de la determinación científica de la cantidad de energía presente en las plantas de brassica.

Luego repetiremos el proceso de pesaje / secado / pesaje nuevamente a los 14 días. ¿Qué cambios espera ver? Lo más probable es que veamos un aumento tanto en la masa húmeda como en la seca, ya que las plantas están creciendo. También veremos un aumento en la energía y NPP por día / por planta, ya que las plantas han aumentado la energía disponible en su ecosistema al agregar nuevas células y tejidos.

Investigación: Flujo de energía a través de plantas y animales

Ahora complicaremos un poco las cosas añadiendo un animal a la mezcla. Los productores primarios son consumidos por consumidores primarios o animales que comen materia vegetal como parte de su dieta. Nuestro productor en esta parte del experimento será una col de Bruselas, que es miembro de la misma familia que la planta que usamos en la última parte del experimento.

Primero, tomaremos una col de Bruselas grande y la pesaremos, luego la cortaremos por la mitad. A continuación, pesaremos diez larvas de mariposa de la col y calcularemos el peso medio de un organismo. Luego los pondremos en un recinto, retrocederemos y dejaremos que hagan lo suyo. Todos los días tendremos que tener en cuenta los desechos que dejan las larvas recogiéndolos y pesándolos diariamente.

Al cabo de tres días, los resultados podrían tener este aspecto:

• Masa inicial de coles de Bruselas: 30 g
• Masa final de coles de Bruselas: 11 g
• Cantidad de brote consumido por las larvas: 19g

Suponiendo que las coles de Bruselas tienen aproximadamente un 15% de biomasa, podemos calcular la energía disponible en el brote (g de brote *% de biomasa * 4,35 kcal / g):

• Energía inicial disponible: 19,58 calorías
• Energía final disponible: 7,2 calorías
• Cantidad de energía consumida por las larvas: 12,4 calorías

Como usamos diez larvas, podemos dividir cada uno de esos valores por diez para determinar cuánta energía se consumió por larva: alrededor de 1,24 calorías.

Ahora, miremos a los animales.

• Masa inicial de 10 larvas: 0,3 g
• Masa final de 10 larvas: 1,8 g
• Cantidad de masa ganada por diez larvas: 1,5 g.

Eso significa alrededor de 0,15 g / animal. Ultima parte; ahora, determinamos a dónde va la energía. Suponiendo que las larvas son aproximadamente un 15% de biomasa, podemos calcular la energía disponible en cada larva (g de larva individual *% de biomasa * 5,5 kcal / g, donde, nuevamente, el valor de 5,5 kcal / g es un estándar derivado científicamente. )

• Masa inicial de cada larva (promedio): 0.03 g
• Producción de energía por cada individuo = 0,03 g * 0,15 * 5,5 g = 0,02 kcal
• Masa final de cada larva (promedio): 0,18 g * 0,15 * 5,5 kcal / g = 0,15 kcal

Durante tres días, esto significa que durante tres días de crecimiento, han usado alrededor de 0,13 kcal de energía.

Al medir el desperdicio a lo largo del experimento, determinamos que cada individuo secretó 0.05 g de desperdicio, lo que equivale a perder 0.24 kcal de energía en tres días. Esto también se determinó utilizando un valor estándar. Entonces, por individuo, tenemos 1,24 kcal consumidas de energía vegetal – 0,24 kcal perdidas como desperdicio – 0,13 utilizadas como crecimiento = 0,87 kcal utilizadas para la respiración.

¡Vaya, eso fueron muchos cálculos! Pero lo que hemos hecho es crear una estimación bastante justa de adónde va la energía a medida que pasa de los productores a los consumidores primarios en un ecosistema. La mayor parte se utiliza para la respiración, lo que explica la diferencia entre la productividad primaria bruta y neta.

Resumen de la lección

Recapitulemos brevemente algunos de los términos utilizados en esta lección. Los productores son organismos que transforman la energía luminosa en energía química utilizable. Se encuentran al final de la cadena alimentaria. Los ecologistas dicen que la energía total producida por los productores en un ecosistema en un período de tiempo determinado se llama productividad primaria bruta o GPP .

Las plantas usan parte de esta energía para mantener la vida en la respiración celular. El resto lo utilizan para crear más células (o crecer) y reproducirse. La energía que las plantas ‘devuelven’ al ecosistema al crear más células y tejidos se llama productividad primaria neta o NPP . Por tanto, GPP – R (energía utilizada en la respiración) = NPP.

NPP es la cantidad de energía en un ecosistema que está disponible para ser, por ejemplo, consumida por un animal. Esta energía almacenada en células y tejidos también se llama biomasa . Al medir cuidadosamente el crecimiento de plantas y animales en un ecosistema de muestra, podemos rastrear el flujo de energía estimando su NPP.

Los resultados del aprendizaje

Una vez que haya terminado de aprender sobre la dinámica energética, asegúrese de poder:

• Determinar la relación entre la productividad primaria bruta y la productividad primaria neta.
• Escribe la ecuación para NPP
• Discutir el uso de biomasa para estimar el flujo de energía y la productividad de un ecosistema.