El flujo de energía y las pirámides
Lo que vas a aprender
- Explicar a dónde va la energía que recibe cada nivel trófico y por qué solo una parte pasa al siguiente.
- Calcular la energía que llega a cada nivel con la regla del 10 %, entendida como una aproximación.
- Calcular la eficiencia de un paso de la cadena con datos dados.
- Leer e interpretar pirámides de energía y de biomasa, y explicar por qué las cadenas son cortas.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
En un potrero de los Llanos hay hectáreas enteras de pasto, muchos chigüiros y muy pocos jaguares. ¿Por qué no hay tantos jaguares como chigüiros, ni tantos chigüiros como matas de pasto? La respuesta está en la energía: en cada paso de la cadena se pierde la mayor parte, y arriba llega muy poca.
Esta idea explica por qué las cadenas tróficas son cortas, por qué los grandes carnívoros necesitan territorios enormes y por qué son los primeros en desaparecer cuando un bosque se reduce. En esta lección vas a seguir la energía nivel por nivel y a dibujarla en pirámides.
Antes de empezar recuerda qué es un nivel trófico, que la energía se mide en joules (un kilojoule, kJ, son mil joules) y cómo se calcula un porcentaje.
Explicación
La energía entra por los productores
Casi toda la energía de un ecosistema viene del sol. Los productores captan una parte de la luz que les llega y, con la fotosíntesis, la guardan como energía química en la materia orgánica que fabrican. Desde ahí, la energía pasa a los herbívoros cuando se comen las plantas, y a los carnívoros cuando se comen a los herbívoros.
¿A dónde se va la energía en cada paso?
Piensa en un chigüiro que come pasto. No toda la energía del pasto termina guardada en el cuerpo del chigüiro:
- Una parte no se come. Raíces, tallos duros y matas que ningún chigüiro alcanza.
- Una parte no se digiere. Sale en el excremento, y la aprovechan los descomponedores.
- La mayor parte se gasta en vivir. Con la respiración celular, el chigüiro libera la energía de su alimento para caminar, nadar, mantener su temperatura y reparar su cuerpo. Esa energía termina como calor que se pierde en el ambiente.
- Solo lo que queda guardado en el cuerpo del chigüiro, en sus músculos, su grasa y sus crías, puede pasar al jaguar que se lo coma.
Lo mismo ocurre en cada nivel. Por eso la energía disminuye mucho de un nivel al siguiente.
La regla del 10 %
En los libros se usa una aproximación sencilla: de la energía guardada en un nivel, más o menos el 10 % llega al nivel siguiente. No es una ley exacta: en la naturaleza ese porcentaje cambia de un ecosistema a otro y de una especie a otra. Pero sirve para hacer cuentas y entender el patrón.
Para medir qué tan bien pasa la energía en un caso concreto se calcula la eficiencia del paso:
$$\text{eficiencia} = \frac{\text{energía del nivel siguiente}}{\text{energía del nivel}} \times 100$$
Si el resultado se parece al 10 %, el paso sigue la regla; puede dar un poco más o un poco menos.
La energía fluye, la materia da la vuelta
Hay una diferencia de fondo entre la materia y la energía. La materia (el carbono, el nitrógeno, las sales minerales) se recicla: los descomponedores la devuelven al suelo y al aire, y los productores la vuelven a usar. La energía, en cambio, no se recicla: entra como luz, pasa de nivel en nivel y sale como calor, que ningún ser vivo puede volver a usar para fabricar alimento. Por eso decimos que la energía fluye en un solo sentido, y que el ecosistema necesita que el sol la reponga todos los días.
Ejemplo resuelto
La energía nivel por nivel
Los productores de una cadena guardan 5000 kJ de energía (dato inventado). Con la regla del 10 %, ¿cuánta energía llega a cada nivel hasta el cuarto, y qué porcentaje de la energía de los productores llega a los consumidores terciarios?
Ver la solución paso a paso
Consumidores primarios: el 10 % de la energía de los productores.
$$\frac{5000 \cdot 10}{100}$$
Da, en kJ:
$$500$$
Consumidores secundarios: el 10 % de lo que tienen los primarios.
$$\frac{500 \cdot 10}{100}$$
Da, en kJ:
$$50$$
Consumidores terciarios: el 10 % de lo que tienen los secundarios.
$$\frac{50 \cdot 10}{100}$$
Da, en kJ:
$$5$$
Porcentaje de la energía de los productores que llega a los terciarios:
$$\frac{5 \cdot 100}{5000}$$
Da:
$$0{,}1$$
Es una milésima parte. Un quinto nivel recibiría el 10 % de eso: una diezmilésima parte de la energía de los productores.
$$\left(\frac{1}{10}\right)^{4} = \frac{1}{10000}$$
Respuesta: Llegan 500 kJ, 50 kJ y 5 kJ; a los consumidores terciarios llega solo el 0,1 % de la energía de los productores.
La pirámide de energía del ejemplo, dibujada con barras (datos inventados): 5000 kJ en los productores, 500 kJ en los consumidores primarios, 50 kJ en los secundarios y 5 kJ en los terciarios. Las dos últimas barras casi no se ven: así de poca es la energía que llega arriba.
Las pirámides ecológicas
Si los niveles de una cadena se dibujan como pisos, uno encima del otro y cada uno del tamaño de su energía, sale una pirámide de energía: los productores en la base, ancha, y los consumidores arriba, cada vez más angostos. La pirámide de energía nunca se invierte, porque ningún nivel puede tener más energía de la que recibió del nivel de abajo. En la figura anterior la misma pirámide aparece como barras.
La pirámide de biomasa muestra la masa de los seres vivos de cada nivel, por ejemplo en kilogramos. En los ecosistemas de tierra firme casi siempre tiene la misma forma que la de energía: mucha más masa de plantas que de herbívoros, y mucha más de herbívoros que de carnívoros. En algunos ecosistemas acuáticos puede invertirse, porque las algas microscópicas se reproducen tan rápido que una masa pequeña de algas alimenta a una masa mayor de animales que se las comen.
Una tercera pirámide, la de números, cuenta individuos y puede quedar al revés: un solo árbol de guayaba puede alimentar a cientos de orugas.
Por qué las cadenas son cortas
Con la regla del 10 %, a los consumidores terciarios llega más o menos una milésima parte de la energía de los productores, como mostró el ejemplo. Un quinto nivel recibiría una diezmilésima parte. Llega un punto en que la energía no alcanza para mantener una población de cazadores: por eso las cadenas casi nunca pasan de cuatro o cinco eslabones, y por eso un jaguar necesita recorrer un territorio muy grande para encontrar suficientes presas.
Esto también explica por qué los grandes depredadores son tan sensibles a la pérdida de su hábitat: dependen de todos los niveles que tienen debajo.
Ejemplo resuelto
¿A dónde se fue la energía del chigüiro?
Un grupo de chigüiros obtiene 2000 kJ del pasto que come (datos inventados). Gasta 1200 kJ en la respiración, que salen como calor, y 500 kJ salen en el excremento hacia los descomponedores. ¿Cuánta energía queda guardada en sus cuerpos y qué porcentaje es de lo que obtuvieron?
Ver la solución paso a paso
Restamos lo que se pierde:
$$2000 - 1200 - 500 = 300$$
Porcentaje que queda guardado:
$$\frac{300 \cdot 100}{2000}$$
Da:
$$15$$
Esos 300 kJ son lo único que podría pasar a un jaguar que se coma a esos chigüiros. La energía del excremento no se pierde para el ecosistema de inmediato: la usan los descomponedores, que también la liberan como calor al respirar.
Ojo: este 15 % no es la regla del 10 %. La regla compara la energía de un nivel entero con la del siguiente, y en ella entra también el pasto que ningún chigüiro se comió; aquí solo comparamos lo que los chigüiros comieron con lo que guardaron.
Respuesta: Quedan guardados 300 kJ, el 15 % de lo que obtuvieron.
Ejemplo resuelto
La eficiencia de un paso
En un potrero, el pasto guarda 5000 kJ y los chigüiros que lo comen guardan 400 kJ (datos inventados). ¿Cuál es la eficiencia de ese paso?
Ver la solución paso a paso
Dividimos la energía del nivel siguiente entre la del nivel y multiplicamos por cien:
$$\frac{400 \cdot 100}{5000}$$
Da:
$$8$$
Es un poco menos que el 10 % de la regla, y está bien: la regla es una aproximación. Lo importante es que la mayor parte de la energía del pasto no llegó a los chigüiros.
Respuesta: La eficiencia es del 8 %.
Ejemplo resuelto
Contar hacia atrás
A los jaguares de una cadena pasto → chigüiro → jaguar deben llegar 50 kJ (dato inventado). Con la regla del 10 %, ¿cuánta energía tienen que guardar los productores?
Ver la solución paso a paso
Los 50 kJ de los jaguares son el 10 % de la energía de los chigüiros. La energía de los chigüiros es diez veces mayor:
$$\frac{50 \cdot 100}{10}$$
Da, en kJ:
$$500$$
Y los 500 kJ de los chigüiros son el 10 % de la energía del pasto:
$$\frac{500 \cdot 100}{10}$$
Da, en kJ:
$$5000$$
Respuesta: Los productores tienen que guardar 5000 kJ.
Práctica
Pirámide de biomasa de un potrero inventado, dibujada con barras: 5000 kg de pasto, 400 kg de herbívoros y 30 kg de carnívoros.
Los productores de un humedal guardan 8000 kJ (dato inventado). Con la regla del 10 %, ¿cuántos kJ llegan a los consumidores primarios?
El 10 % de 8000 es 8000 × 10 ÷ 100 = 800 kJ.
Con los mismos 8000 kJ de los productores y la regla del 10 %, ¿cuántos kJ llegan a los consumidores secundarios?
A los primarios llegan 800 kJ, y a los secundarios el 10 % de 800: 80 kJ.
Las hojas de unas matas guardan 6000 kJ y las orugas que se las comen guardan 300 kJ (datos inventados). ¿Cuál es la eficiencia de ese paso? Escribe el número sin el signo %.
300 ÷ 6000 × 100 = 5. Es la mitad del 10 % de la regla: en este caso el paso es menos eficiente.
A los consumidores secundarios de una cadena llegan 30 kJ. Con la regla del 10 %, ¿cuántos kJ guardan los productores?
Los primarios tienen diez veces más que los secundarios (300 kJ), y los productores diez veces más que los primarios (3000 kJ). Quien responde 300 se detuvo en los primarios; quien responde 3 dividió en vez de multiplicar.
¿Verdadero o falso? Con la regla del 10 %, a los consumidores terciarios llega el 1 % de la energía de los productores: $\left(\frac{1}{10}\right)^{3} = \frac{1}{100}$
Hay tres pasos desde los productores hasta los terciarios, y en cada uno queda el 10 %. Queda 0,1 × 0,1 × 0,1 = 0,001, es decir, el 0,1 %, no el 1 %.
En la pirámide de biomasa del potrero hay 5000 kg de pasto y 400 kg de herbívoros. ¿Qué porcentaje de la biomasa del pasto es la de los herbívoros? Escribe el número sin el signo %.
400 ÷ 5000 × 100 = 8.
En la misma pirámide hay 400 kg de herbívoros y 30 kg de carnívoros. ¿Qué porcentaje de la biomasa de los herbívoros es la de los carnívoros? Escribe el número sin el signo %.
30 ÷ 400 × 100 = 7,5. Otra vez, el nivel de arriba tiene mucho menos que el de abajo.
Unas ranas obtienen 3000 kJ de los insectos que comen; gastan 2000 kJ en la respiración y 550 kJ salen en el excremento (datos inventados). ¿Cuántos kJ quedan guardados en sus cuerpos?
3000 − 2000 − 550 = 450 kJ. Es lo único que puede pasar a una culebra que se las coma.
Estos son pasos de cuatro cadenas inventadas. Marca los pasos con una eficiencia mayor que el 10 %.
Marca todas las que apliquen.
Las eficiencias son 15 %, 5 %, 12 % y 10 %. Solo la primera y la tercera son mayores que el 10 %; la cuarta es igual, no mayor.
¿Por qué casi nunca hay cadenas tróficas de más de cuatro o cinco eslabones?
Con más o menos el 10 % por paso, al quinto nivel llegaría una diezmilésima parte de la energía de los productores. La energía no se recicla, y los descomponedores actúan en todos los niveles, no en uno.
¿Qué diferencia hay entre el camino de la materia y el de la energía en un ecosistema?
Los descomponedores devuelven al suelo y al aire el carbono, el nitrógeno y las sales minerales, que las plantas vuelven a usar. El calor que se libera en cada nivel no lo puede usar ninguna planta para fabricar alimento: por eso el ecosistema depende del sol todos los días.
Reto
Completa la pirámide del humedal.
Usa la regla del 10 %: cada nivel recibe más o menos la décima parte del nivel de abajo.
Reto
Une cada energía con lo que pasa al nivel siguiente.
Cada ficha de la izquierda multiplica la energía de un nivel por 0,1 (el 10 %); únela con su resultado en kJ.
Reto
¿Da la vuelta o se va?
Arrastra cada frase a la canasta correcta: lo que se recicla es materia; lo que fluye y sale como calor es energía.
Cierre
En resumen
La energía entra al ecosistema con la luz que captan los productores y pasa de nivel en nivel cuando un organismo se come a otro.
En cada nivel la mayor parte de la energía se gasta en la respiración y sale como calor, o se va en lo que no se come ni se digiere.
Con la regla del 10 %, una aproximación, más o menos la décima parte de la energía de un nivel llega al siguiente; la eficiencia de un paso es energía del nivel siguiente ÷ energía del nivel × 100.
La pirámide de energía nunca se invierte; la de biomasa casi siempre tiene la misma forma en tierra firme.
La materia se recicla y la energía no. Como en cada paso se pierde la mayor parte de la energía, las cadenas son cortas y el ecosistema depende del sol todos los días.
Vocabulario
- Flujo de energía
Paso de la energía por los niveles de una cadena: entra con la luz a los productores y sale de cada nivel como calor. Va en un solo sentido y no se recicla.
- Eficiencia de un paso
Porcentaje de la energía de un nivel que llega al nivel siguiente: energía del nivel siguiente ÷ energía del nivel × 100.
- Regla del 10 %
Aproximación escolar según la cual más o menos el 10 % de la energía de un nivel pasa al siguiente. En la naturaleza el valor cambia de un caso a otro.
- Pirámide de energía
Diagrama que muestra la energía guardada en cada nivel trófico, con los productores en la base.
- Biomasa
Masa de los seres vivos de un nivel o de un lugar, por ejemplo en kilogramos.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Pregunte por qué en los Llanos hay muchos más chigüiros que jaguares, y anote las hipótesis.
- Explicación · 20 min — A dónde va la energía del chigüiro; la regla del 10 % dicha como aproximación; resuelva en el tablero la energía nivel por nivel y dibuje la pirámide con los estudiantes.
- Práctica · 15 min — Preguntas y retos en parejas, con calculadora si hace falta. La pirámide de biomasa se puede dibujar en papel cuadriculado.
- Cierre · 5 min — Vuelva a las hipótesis del inicio y pida que cada estudiante explique con la pirámide por qué hay pocos jaguares.
Preguntas para el salón
- Si la energía se pierde como calor en cada nivel, ¿por qué no se acaba la energía del ecosistema?
- ¿Para mantener cuál hace falta más pasto: un kilogramo de chigüiro o un kilogramo de jaguar? ¿Por qué?
- ¿Por qué el jaguar es de los primeros animales en desaparecer cuando un bosque se reduce?
Errores típicos
- Creer que la regla del 10 % es una ley exacta. Muestre un caso inventado con eficiencia del 8 % o del 12 % y pregunte si está mal; la regla es una aproximación.
- Decir que la energía se recicla gracias a los descomponedores. Distinga en el tablero dos columnas, materia y energía, y pregunte qué puede hacer una planta con el calor que suelta un animal.
- Calcular el 10 % una sola vez para llegar a un nivel alto. Pida escribir una línea por cada flecha de la cadena: cada flecha es un 10 % nuevo.
Tarea sugerida
Inventar una cadena de cuatro eslabones de un ecosistema colombiano, poner a los productores una energía entre 1000 y 9000 kJ, calcular con la regla del 10 % la energía de cada nivel y dibujar la pirámide de energía con barras.