Ecología y ciclos biogeoquímicos: genética de poblaciones, selección natural y flujo de energía

Marcadores moleculares

Marcadores moleculares: componentes fundamentales: cuestión a estudiar, marcador utilizado para abordar problemas, técnica utilizada para generar marcadores, método de análisis de datos.

Características

Deben distinguir entre individuos, poblaciones o taxones, ser sencillos de medir y evaluar, y facilitar resultados que se puedan comparar con otros anteriores.

Problemas a resolver

• Identificación de mátrices.
• Localización de un alelo determinado o secuencia de nucleótidos.
• Posición de marcadores en un mapa genético.
• Determinar si alguna característica se ha perdido.
• Relaciones y estructura: estudios filogenéticos.
• Cantidad de variación genética y cómo se reparte.

Ecología

Ecología: ciencia que trata las interacciones entre organismos y entre ellos y su ambiente.

Conceptos básicos

• Biocenosis: componente biótico del ecosistema, propios de la comunidad.
• Biotopo: componente abiótico.
• Nicho: representación de las gamas de condiciones que un organismo puede tolerar y las formas de vida que un organismo puede adoptar.
• Nicho fundamental: rango de las condiciones ambientales bajo las que una especie puede sobrevivir.
• Convergencia evolutiva: distintas especies convergen en formas análogas como respuesta a factores ambientales similares, sin relación filogenética entre ellas.
• Radiación adaptativa: una especie da lugar a muchas especies en un tiempo corto. Las poblaciones de una especie invaden hábitats diferentes y se desarrollan en respuesta a las distintas presiones de selección de los hábitats.

Selección natural

Reproducción diferencial: los individuos que tienen ciertos alelos dejan más descendencia (×h²) que otros con alelos diferentes.

Tipos de selección

• Selección direccional: el valor promedio del rasgo se altera a favor de un extremo y en contra del otro.
• Selección disruptiva: una población ocupa una región que proporciona diferentes tipos de recursos. Las características diferentes adaptan mejor a los individuos en la utilización de cada tipo de recurso. Ejemplo: construcción de una carretera que pasa por una autopista favorece la visita por cactus bonitos.
• Selección estabilizadora: los individuos que se desvían del promedio de un carácter están bajo presiones selectivas opuestas de dos fuentes diferentes, lo que podría conservar la variabilidad. Dos o más alelos de un gen se conservan en una población porque cada uno está favorecido por una fuerza selectiva independiente.

Acervo genético

Conjunto de todos los genes de una población.

Población en equilibrio

Ley de Hardy-Weinberg

1. Apareamiento al azar.
2. Migración despreciable.
3. Mutación no existente.
4. Tamaño de población infinito.
5. La selección natural no afecta a los alelos, ya que se supone que los tres genotipos posibles son igualmente viables y fértiles.

Deriva genética: cambio de frecuencias génicas al azar; variabilidad genética en poblaciones pequeñas y menor en grandes. Efecto cuello de botella y efecto fundador.

Asociación

Asociación: descripción de poblaciones que aparecen en una misma región.

• Zonación: distribución sobre un espacio de distintas poblaciones de la comunidad según un gradiente ambiental o físico.

Biosistemas principales

Bosques, praderas, bosques abiertos, formaciones arbustivas, formaciones arbustivas semidesérticas y desiertos.

Sucesión ecológica

Sucesión: secuencia de cambios iniciados por una perturbación; esquema continuo y de dirección no estacional de colonización de las poblaciones de especies de una comunidad.

• Sucesión primaria: establecimiento y desarrollo de comunidades en hábitats recién formados que previamente no tenían plantas.
• Sucesión secundaria: la vegetación de una zona ha sido eliminada de forma total o parcial, pero se conserva el suelo bien desarrollado y el número de semillas y esporas.

Comunidad clímax: asociación final de especies lograda. Las secuencias sucesionales pueden conducir a distintos clímax; las comunidades pueden mostrar múltiples estados estables.

Eficiencia fotosintética

Porcentaje de la radiación solar interceptada por las hojas que es convertida en producción primaria neta bajo condiciones naturales, fijada como energía química de enlaces de biomasa.

Fotosíntesis: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Cadenas tróficas: herbívoros y detritívoros

Son componentes cruciales del ecosistema.

• Herbívoros: transferencia de energía de productores primarios a través de herbívoros hasta los carnívoros.
• Detritívoros: descomposición de materia orgánica y reciclaje de nutrientes.

Ambos interactúan por flujo de energía constante, lo que es clave para el equilibrio y la salud del ecosistema.

Cadena trófica de herbívoros

• Producción primaria neta: energía capturada por productores primarios de la fotosíntesis y consumida por herbívoros.
• Herbívoros: consumidores primarios alimentados con productores primarios; obtienen energía a través de plantas.
• Carnívoros: consumidores secundarios alimentados de herbívoros o de otros carnívoros.

Cadena trófica de detritívoros

• Detritos: materia orgánica muerta no consumida directamente por herbívoros; se descompone y pasa a esta cadena.
• Descomponedores: descomponen materia orgánica y liberan nutrientes al ecosistema, esenciales en el reciclaje y la fertilidad del suelo.
• Carnívoros: algunos pueden alimentarse de detritos y descomponedores, integrando ambas cadenas.

Interacción entre ambas cadenas

Flujo de energía y nutrientes: fluyen de la producción primaria neta a los herbívoros y después a los carnívoros. Parte de la materia orgánica se convierte en detritos. Retroalimentación: descomponedores y detritos liberan nutrientes que son utilizados por productores primarios, cerrando el ciclo de nutrientes y manteniendo un ecosistema sostenible.

Interacción de carnívoros: los carnívoros pueden consumir tanto herbívoros como detritívoros, lo que conecta las cadenas tróficas; la energía fluye por muchas rutas a través del ecosistema.

Ley de Lindeman

La energía se pierde en cada nivel trófico por el trabajo de los organismos y la ineficiencia (pérdida de calor) de las transformaciones de la energía. A cada nivel solo le llega el 10 % de la energía que recibió el anterior.

Ciclo del agua

H₂O: evaporación, transpiración, evapotranspiración, condensación (vapor de H₂O se condensa y enfría formando nubes y gotas de H₂O líquida), precipitación, infiltración, escorrentía, percolación (movimiento de H₂O en el suelo), sublimación (en frío: hielo → vapor).

Compartimentos del H₂O: océanos, atmósfera, ríos, lagos, suelo, acuíferos, nieve y glaciares.

Ciclo del carbono

• Atmósfera: CO₂ y CH₄ (gases de efecto invernadero).
• Biosfera terrestre: plantas (absorben CO₂ por fotosíntesis), animales y microorganismos.
• Océanos: C disuelto en H₂O, usado por microorganismos marinos (unas 50 veces más CO₂ que la atmósfera).
• Geosfera: rocas carbonatadas, combustibles fósiles y materia orgánica enterrada.

Procesos del ciclo del C

• Fotosíntesis: consume CO₂.
• Respiración: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + energía.
• Descomposición: descomposición de materia orgánica liberando CO₂ y CH₄ a la atmósfera.
• Combustión: quema de combustibles fósiles y biomasa genera CO₂ atmosférico.
• Absorción oceánica.

Ciclo del nitrógeno

Reservorios:

• Atmósfera: contiene más del 80 % de N₂.
• Biosfera terrestre: plantas, animales y microorganismos que incorporan N a sus moléculas.
• Suelo: N en compuestos orgánicos (materia orgánica) e inorgánicos NO₃⁻ y NH₄⁺.
• Hidrosfera: NO₃⁻, NH₄⁺ y NO₂⁻ utilizados por microorganismos acuáticos.

Procesos del ciclo del N

• Fijación: conversión de N₂ atmosférico en NH₃ o NH₄⁺, apta para plantas. Anabaena en medio acuático y Rhizobium y Azotobacter en medio terrestre. La nitrogenasa es la enzima de fijación.
• Nitrificación: NH₃ → (Nitrosomas, Nitrosococcus) → NO₂⁻ → (Nitrobacter, Nitrococcus) → NO₃⁻.
• Asimilación: las plantas absorben NO₃⁻ y NH₄⁺ del suelo para formar tejidos.
• Amonificación: mineralización y descomposición de materia orgánica por microorganismos, liberando NH₃ y NH₄⁺.
• Desnitrificación: NO₃⁻ → N₂ por bacterias desnitrificantes, como Pseudomonas.

Ciclo del fósforo

El fósforo es componente importante del ADN y ARN, membranas celulares, sistemas de transformación de energía, huesos y dientes. Limita la producción en hábitats acuáticos. Las plantas asimilan fosfatos del agua o del suelo y los incorporan a estructuras como ésteres fosfato. Las bacterias fosfatizadoras transforman el fosforán (orina) en iones PO₄³⁻, disponibles para asimilación a pH 6–7. El fósforo tiene como sumidero los sedimentos marinos y el agua dulce.

Procesos del ciclo del P

• Erosión y meteorización: las rocas con fosfato se degradan y son erosionadas por el viento y el agua.
• Absorción por plantas: las raíces absorben el fósforo en forma de fosfatos.
• Ciclo biológico: los animales obtienen P al consumir plantas o animales, y ese P se utiliza en procesos biológicos.
• Descomposición: libera PO₄³⁻ al suelo.
• Sedimentación: transportado por el agua hacia océanos y lagos, formando sedimentos.