Fundamentos de Ecología: Conceptos Clave, Modelos y Procesos Biológicos

Conceptos Fundamentales en Ciencias Biológicas y Ecológicas

Definiciones Clave

• Ciencia: Conjunto de conocimientos obtenidos mediante observación y razonamiento, sistemáticamente estructurados, de los que se deducen principios y leyes.
• Tecnología: Conjunto de conocimientos técnicos, ordenados científicamente, que permiten diseñar y crear dispositivos.
• Disciplina Científica: Conjunto coherente de principios teóricos y metodológicos que plantean un marco de estudio.

Ecología: El Estudio de las Interacciones Organismo-Ambiente

La Ecología es una disciplina interdisciplinaria que examina las relaciones entre los organismos y su ambiente en sus aspectos fisiológicos, la estructura y dinámica de las interacciones entre especies, la organización de las comunidades biológicas y los flujos de materia y energía.

• Andrewartha (1961): Define la ecología como la “ciencia que estudia la distribución de los organismos”.
• Krebs (1978): La describe como “el estudio de las múltiples interacciones entre los organismos que producen una determinada distribución de ellos”.

El Ambiente y sus Componentes

El Ambiente se refiere a las condiciones y características fisicoquímicas, así como a los recursos disponibles.

Subdivisiones de la Ecología

• Demoecología / Ecología de Poblaciones: Estudio de las poblaciones.
• Autoecología: Estudio de una especie individual y sus interacciones con el ambiente.
• Sinecología / Ecología de Comunidades: Estudio de las comunidades biológicas.

Ejemplo de Especie

El Ronsoco (Hydrochaerus hydrochaeris), también conocido como Capibara.

Modelos Ecológicos: Representaciones para la Comprensión de la Realidad

Los Modelos son representaciones formales de la realidad que pretendemos describir, analizar y, finalmente, comprender. Existen varios niveles de formalización: verbales, gráficos y matemáticos.

Tipos de Modelos

1. Modelos Conceptuales

   En esta primera etapa, el investigador identifica los elementos fundamentales y se definen los límites del sistema. Se establecen los criterios de agregación para la identificación de los componentes relevantes del modelo (las variables de estado del sistema) y se determinan las interacciones o flujos significativos.

   Ejercicio para aclarar ideas.

2. Modelos de Procesos

   • Modelos Empíricos: Son descriptivos y pueden llegar a tener valor predictivo.
   • Modelos Racionales/Teóricos: Plantean supuestos y hipótesis puramente teóricos.
   • Modelos Intermedios/Semiempíricos: El investigador recoge información, examina la relación entre variables y selecciona un modelo.

3. Modelos de Compartimientos

   Los modelos conceptuales forman colecciones de compartimientos interconectados. Estos incluyen modelos de sistemas en estado estacionario (ej. ciclo hidrológico).

4. Modelos Deterministas y Estocásticos

   • Modelos Deterministas: Aquel que, para un valor de la variable independiente, predice un único valor de la variable dependiente.
   • Modelos Estocásticos: Cuando al menos una variable del mismo es tomada como un dato al azar y las relaciones entre variables se toman por medio de funciones probabilísticas. Son útiles en grandes muestras donde las fluctuaciones ocurren aleatoriamente.

5. Modelos Matriciales en Ecología

   Combinan determinismo y probabilidad, siendo frecuentes en las simulaciones de modelos dinámicos. Se representan mediante un vector cuyos elementos son las variables de estado, y los flujos o transferencias, como una matriz de probabilidades de transición. La matriz resultante, donde los ceros indican la inexistencia de transferencias entre los compartimientos afectados, permite una proyección temporal inmediata a través de la operación matricial (vector de estado en el tiempo 't' por la matriz de transición).

   “Modelos Probabilísticos”

Propiedades Emergentes y Dinámicas de los Sistemas Biológicos

El Principio de la Propiedad Emergente

Las Propiedades Emergentes son nuevas propiedades que no estaban presentes en un nivel inferior y no pueden predecirse al estudiar los componentes de dicho nivel o unidad. A menudo se les denomina “propiedades irreducibles”.

• Ejemplo: En los corales, la acción conjunta de muchos individuos para reciclar nutrientes resulta en una alta tasa de productividad, una propiedad emergente a nivel de comunidad.

Propiedades Colectivas vs. Emergentes

Las Propiedades Colectivas, a diferencia de las emergentes, constituyen una suma del comportamiento del sistema y no incluyen características nuevas. Ambas son propiedades del todo, pero en las emergentes, la interacción modifica la naturaleza de los componentes, no es una fusión sino una integración.

Mecanismos de Retroalimentación y Estabilidad

Por los mecanismos de retroalimentación que operan en el todo, la amplitud de las oscilaciones tiende a reducirse a medida que las unidades más pequeñas funcionan dentro de unidades mayores. Estadísticamente, la varianza de la propiedad a nivel del sistema completo es menor que la suma de las varianzas de las partes.

• Principio de Compensación: La tasa de fotosíntesis dentro de la comunidad de un bosque es menos variable que la de las hojas individuales o los árboles que componen la comunidad.

Funciones trascendentes y procesos de control existen en cada nivel, con propiedades colectivas emergentes únicas. Estas funciones operan a otro nivel (comportamiento, desarrollo, diversidad, energía, evolución, integración, regulación).

El control es un punto de inicio, a menudo un “control pulsante” o Homeorresis. No hay un equilibrio estático a nivel de ecosistema y ecósfera, sino balances y equilibrios pulsantes.

Homeostasis vs. Homeorresis

• Homeostasis: Mantener el estado.
• Homeorresis: Mantener el flujo.

Especies, Especiación y Extinción

Concepto de Especie

Una Especie es una unidad taxonómica de organismos, una unidad conveniente de clasificación. Se define como un grupo de poblaciones emparentadas, reproductivamente aisladas. Es el principal carácter de diagnóstico por el cual un organismo individual puede ser descrito y clasificado.

Especiación: El Proceso Evolutivo de Nuevas Especies

La Especiación es el proceso evolutivo que da origen a nuevas especies. Puede ser gradual o abrupta, e involucra mecanismos como la recombinación genética, hibridación, poliploidía y mutaciones.

Tipos de Especiación

• Alopátrica: Ocurre cuando las poblaciones están geográficamente aisladas.
• Simpátrica: Ocurre cuando las poblaciones están sobrepuestas geográficamente.
• Parapátrica: Ocurre en poblaciones adyacentes con un flujo genético limitado.

Extinción

La extinción afecta a plantas y animales. Factores que influyen incluyen: gran tamaño corporal, baja tasa de natalidad, poca dispersión y alto nivel trófico.

Historia de Vida y Características

El principio de asignación describe cómo los organismos distribuyen sus recursos. Las características de la historia de vida incluyen:

• Longevidad: Relacionada con una tasa metabólica baja y una madurez reproductiva alta.
• Tamaño: Generalmente, los organismos de gran tamaño tienen una mayor longevidad.
• Estrategias Reproductivas:
  • Semélparos: Se reproducen una sola vez en su vida.
  • Iteróparos: Se reproducen múltiples veces a lo largo de su vida.

Etología: El Estudio del Comportamiento Animal

La Etología es la forma en que un organismo actúa en respuesta a un estímulo. Es el resultado de factores genéticos y ambientales, esencial para la supervivencia y la reproducción, y moldeado por la selección natural.

Causas del Comportamiento

• Causas Próximas:
  • Mecanismos: ¿Cómo funciona el comportamiento?
  • Desarrollo (Ontogenia): ¿Cómo se desarrolla el comportamiento a lo largo de la vida del individuo?
• Causas Últimas:
  • Función (Significado Adaptativo): ¿Por qué el comportamiento es beneficioso para la supervivencia y reproducción?
  • Evolución (Historia Filogenética): ¿Cómo evolucionó el comportamiento a lo largo de la historia de la especie?

Tipos de Comportamiento

• Taxia: Movimiento direccional en respuesta a un estímulo.
• Cinesis: Cambio en la actividad en respuesta a un estímulo, pero de manera aleatoria.
• Aprendizaje:
  • Impronta: Aprendizaje rápido y temprano en la vida.
  • Condicionamiento Clásico/Operante (Instrumental): Aprendizaje por asociación.
  • Latente: Aprendizaje sin recompensa inmediata.
  • Súbito/Intuitivo: Resolución de problemas.
  • Social: Aprendizaje a través de la observación de otros.

Factores Ambientales y Ecofisiología

Factores Limitantes y Tolerancia

Un Factor Limitante es cualquier condición que se aproxime o exceda los límites de tolerancia de un organismo.

• Ley del Mínimo de Liebig: El crecimiento está limitado por el nutriente más escaso.
• Ley de Tolerancia de Shelford: La distribución de una especie está limitada por los factores ambientales que exceden sus límites de tolerancia.

Los organismos pueden ser:

• Estenotópicos: Con un rango de tolerancia angosto.
• Euritópicos: Con un rango de tolerancia amplio.

Tiempo Atmosférico y Clima

• Tiempo Atmosférico: Estado de la atmósfera en un momento y lugar específicos.
• Clima: Condiciones meteorológicas promedio a largo plazo en una región.

Escalas Climáticas

• Microclima: Local (aprox. 1 km), influenciado por topografía, temperatura, humedad, altitud-latitud, luz, cobertura vegetal, suelo.
• Mesoclima: Regional (aprox. 50 km).
• Macroclima: Grande (aprox. 300 km).
• Clima Global: A escala planetaria.

Ecofisiología

La Ecofisiología estudia los procesos fisiológicos de los organismos en su hábitat natural y bajo la repercusión de las condiciones o factores ambientales.

Clasificaciones Climáticas

• Thornthwaite (1938): Clasificación basada en la evapotranspiración.
• Köppen: Clasificación basada en la vegetación y patrones de temperatura y precipitación.
• Radiación Solar: Factor ambiental clave.

Visión y Estratificación

Tipos de Visión

• Monocromática: Un solo tipo de cono (ej. mapache y salamandra).
• Dicromática: Dos tipos de conos (ej. la mayoría de los mamíferos).
• Tricromática: Tres tipos de conos (ej. humanos).
• Tetracromática: Cuatro tipos de conos (ej. aves, reptiles, peces, algunos insectos, con percepción UV).

Temperatura y Estratificación

La temperatura es una causa fundamental de la estratificación en cuerpos de agua y atmósferas.