Ecosistemas y energia

1. Ecosistemas y energia

2. La ecología de ecosistemas Para que la aproximación ecosistémica alcance todo su potencial, es necesario entrenar a nuestros estudiantes y a nosotros mismos a realizar investigación interdisciplinaria. Por tanto desde mi perspectiva es la interdisciplinaridad la meta por la cual todos debemos esforzarnos respecto de una ciencia de ecosistemas. Gene Likens, 1992

3. LA ECOLOGIA DE ECOSISTEMAS COMO INTEGRADORA DE CONOCIMIENTOS

4. LAS RAICES INTERDISCIPLINARIAS DE LA(S) TEORIA(S) DE ECOSISTEMAS

5. Eficiencia de las transformaciones energéticas

6. Termodinámica • Como ciencia de los fenómenos en equilibrio y sistemas cerrados, aparece en el 1800. • La teoría integrativa de ambas leyes tiene menos de 35 años. • Como ciencia de los fenómenos alejados del equilibrio, se inicia con los trabajos de Prigogine en 1955. • No existe aun una teoría integrativa sobre los flujos de energía y materiales en sistemas alejados del equilibrio. • Las proposiciones actuales sobre termodinámica del no-equilibrio, sugieren que los sistemas expuestos a un flujo de energía, tienden a generar estructuras tales que se aumenten las oportunidades para degradar disipar dicha energía. • La vida no es sino una de las mas eficientes formas de degradar el flujo de energia impuesto por el sol.

7. Primera ley de la termodinámica • Supongamos un sistema cuyo volumen es v y cuya superficie es . • estamos interesados en una variable I tal que: I = variable extensiva, f(x,y,z,t)= intensiva. • Existen dos mecanismos que pueden producir cambios en I(t): dI = diI + deI Producción de I en V; flujo de I a través de 

8. Segunda ley de la termodinámica • S = función de estado, extensiva. • dS = diS + deS • diS  0 • Se pueden distinguir dos tipos de procesos: • diS = 0 reversibles • diS > 0 irreversibles • Para una condición local al interior del sistema podemos proponer que: • Si estamos en una región cercana al equilibrio termodinámico, se espera que • las relaciones entre flujos J y fuerzas X sean lineales. Vale decir, Relaciones de reciprocidad de Onsager. Fueron usadas por Odum en 1955 para demostrar que si un sistema maximiza la salida útil (Power), entonces la eficiencia termodinámica solo debe ser igual a 0.5. Bolzman: combina el desorden molecular con la entropia:

9. La tercera ley de la termodinámica • No puede haber desorden, ni generación de desorden a 0°K. • Por tanto, la producción de entropía implica que debe ocurrir una degradación de energía desde un estado de alta utilidad a uno de baja utilidad. • Un sistema puede crear una estructura interna de alta exergia solo a través de la disipación de energía. • Si un sistema tiene una temperatura superior a 2.726 0.01 °K, la creación de orden es inevitable. • Dado lo anterior, la generación de orden a partir del desorden tiene las siguientes condiciones: • El sistema deber ser abierto para permitir intercambios de energía con el entorno. • Un ingreso de exergia es necesario y suficiente. • Un egreso de energía de alta entropía es necesario. (El costo de la manutención del orden). • Se requieren fenómenos de transporte de masa de alta eficiencia (fase liquida o gaseosa).

10. Regiones termodinámicas • Equilibrio, flujos y fuerzas se igualan a cero. • Cercana al equilibrio, se aplican las relaciones de Onsager. En esta • región los flujos y sus causas se relacionan linealmente, los comportamientos • son predecibles. • Lejos del equilibrio (sistemas disipativos): • Relaciones son no lineales, • Comportamiento difícil de predecir. • Flujos y estructuras son interdependientes. Los ecosistemas se pueden definir como sistemas altamente disipativos, donde el o los flujos de energía que ingresan mantienen una estructura u organización interna. Esta estructura maximiza la degradación de la energía aplicada sobre el ecosistema

11. La problematica medio-ambiental como un problema de entropia. • Se requiere energia para generar cambios. • A mas energia se usa, mas entropia y desorden se genera • Paradojalmente, a mas orden tratamos de imponer, mas se producen deshechos, entropia • las cuales inevitablemente van al “medio-ambiente”. • Por tanto si se quiere “mejorar” un ecosistema la pregunta crucial es: Que region del • planeta queremos hechar a perder? Entorno Tecnosfera diS> 0 Ecosistema deS < 0 Entropia (e.g. combustibles fosiles) Tiempo evolutivo (e.g. exergia solar) deS < 0

12. La hipótesis de la “bomba de entropía” (Svirezhev, 2000) • Los ecosistemas son sistemas termodinámicamente abiertos. • El clímax se alcanza cuando la producción de entropía dentro del sistema es balanceada por el flujo de entropía desde el sistema hacia el entorno. (la bomba de entropía). • La variación en entropía de un sistema abierto es: dS(t)= diS(t) + deS(t). • Sin embargo lo que nos interesa es el intercambio de entropía con el entorno. Si suponemos que la emisión de calor, respiración, de los productores primarios es >> que la de los otros niveles tróficos, entonces se puede estimar el intercambio de entropía solo en base al primer nivel. Si consideramos una temperatura media para los componentes vivos del ecosistema, entonces se puede demostrar que el intercambio de entropía se puede calcular en base a: Bomba de entropía

13. Si consideramos un flujo artificial de energía proveniente de la actividad humana (W) y una producción bruta P1, entonces podemos estimar el intercambio de entropía como: • Si suponemos que el ecosistema no ha tenido tiempo para ajustar a la velocidad de los cambios impuestos por el hombre y que solo es capaz de exportar la entropía original, entonces: • Por tanto hay una sola forma de compensar la salida de entropía al ambiente: • DEGRADACION AMBIENTAL ( > 0) • Uno de los problemas es, sin embargo que en la actualidad es imposible predecir la forma en la cual el ecosistema generará el exceso de entropía ().

14. Soluciones? 1.- Mantener las cadenas de energía lo mas cortas posibles 2.- Aumentar la eficiencia termodinámica. Pero: Según Odum y Pinkerton, los sistemas no pueden maximizar la salida útil y la eficiencia termodinámica “ al mismo tiempo”. 3.- Disminuir las pérdidas de calor hacia el entorno y utilizar el calor generado en las transferencias de energía.

15. Termodinámica y ecología • * Energía de alta calidad (exergia) es importada al interior de los ecosistemas. • * Allí es transformada en biomasa, estructura, complejidad e información. • * Como resultado, el ecosistema exporta energía de baja calidad (entropía) contribuyendo • al desorden térmico del universo. • * Sobre la base de la visión termodinámica de los ecosistemas se han postulado los siguientes • principios , la gran mayoría de los cuales fueron enunciados por Odum (1969): • A medida que un ecosistema se desarrolla, disminuye su entropía interna, aumenta su • Distancia del equilibrio termodinámico, aumenta su contenido informático, su complejidad • Estructural, su contenido de exergia, su costo total de manutención y su producción de entropía. • Dialecta termodinámica: • I: Minimización de actividad y retención de recursos (Prigogine, Jorgensen) • II: Alta disipación y expansión (Lotka, Odum). • Ulanowicz: se produce I cuando faltan los recursos y II cuando existen en abundancia. Detractores de la visión termodinamicista: Fenchel, Goldman.

16. La, tentativa, cuarta ley de la termodinámica. • Si un sistema recibe un flujo de exergia, el sistema la utilizara para alejarse del equilibrio termodinámico. Si al sistema se le ofrece mas de un camino posible, el que genere el mayor almacenamiento de exergia tendrá la propensión a ser seleccionado. • Sin embargo: • No existe una forma simple de calcular la exergia, solo se han usado índices. • Es difícil incorporar en estos índices la información contenida en la estructura de la red ecosistémica. • En la actualidad la exergia se usa solo de forma relativa, para comparar ecosistemas bajo distintas configuraciones. • Según Jorgensen, el desarrollo de los ecosistemas desde la perspectiva del almacenamiento de exergia (su proposición) y de la utilización de la exergia (Odum) van en paralelo. • Es posible elaborar una hipótesis de forma de poner a prueba esta ley?

17. Ecosistemas como degradadores de energía • La mayoría de los atributos de maduración de un ecosistema propuestos por Odum (1969) se pueden entender como procesos que aumentan la capacidad del sistema para degradar energía. (Science 164, 262-270, 1969). • Sin embargo, la sobrevivencia de los componentes puede generar adaptaciones que no necesariamente vayan hacia el aumento en la degradación de la energía. • Dado lo anterior, se requiere analizar los posibles caminos que podría tomar un ecosistema dado que se produzcan cambios, naturales o inducidos por el hombre, en los flujos de exergia. Definir los potenciales atractores y sus características

18. Donde residen los problemas? • Si un sistema esta alejado del equilibrio y sometido a un alto flujo de energía, entonces pueden emerger espontáneamente comportamiento y organización coherentes (Prigogine and Nicolis, 1989). • Por tanto, solo se pueden especificar potenciales estados y sus probabilidades. • Debido a la complejidad inherente al sistema, la descripción de cada atractor es mas bien cualitativa. Una narración según Kay(2000). • Una solución por tanto es la de generar modelos conceptuales sobre el sistema y sobre sus atractores de forma de poder organizar nuestro conocimiento.

19. Modelo conceptual de la estructura del Ecosistema de Mejillones y sus atractores. Viento

20. Modelo conceptual de la estructura del Ecosistema de Mejillones y sus atractores.

21. Algunas consecuencias del pensamiento termodinamico en ecología de ecosistemas. • Si los ecosistemas son estructuras disipativas alejadas del equilibrio termodinamico, entonces: • Su dinámica no es predecible salvo en corto plazo. • Sus respuestas a perturbaciones pueden ser amplificadas por pequeñas variaciones en algunos parámetros. • En puntos de bifurcación la evolución temporal de un ecosistema en altamente no-predecible. • Las estructuras y los flujos de energía impuestos son interdependientes. • Debido a que los procesos son irreversibles, y que la respuesta del sistema es histórica entonces no es posible restaurar un ecosistema alterado a su estado original. • Si se considera lo anterior, entonces: • Como se deberían enfocar los programas de conservación? • Como debería plantearse la intervención humana en la naturaleza?

22. Distribución de la producción primaria.

23. Cuales son los componentes ecológicos más importantes?(Respuestas de la Sociedad Británica de Ecología en 1989) • Ecosistema • Sucesión • Energía

24. Energía, emergía y termodinámica • Un sistema es una totalidad, donde la interacción entre los componentes genera propiedades emergentes. • Un sistema se considera abierto, sensu Von Bertalanffy, cuando tiene al menos un ingreso y un egreso. • Una variable de estado es una cantidad que se almacena en el sistema y que varia en el tiempo. • En un sistema abierto, cuando el almacenaje y sus patrones son constantes y existe un balance entre las entradas y las salidas, el sistema se considera en estado estable. • El termino equilibrio solo se debería usar en sistemas cerrados cuando el almacenaje se hace constante. • Cualquier simbolismo hablado o escrito que facilite la comprensión de como se combinan las partes para generar un sistema se conoce con el termino de lenguaje de sistemas. Por ejemplo: lenguaje de circuitos (Odum) o STELLA. • Muchos ecólogos, después de H.T. Odum usan el lenguaje de la energía para describir ecosistemas.

25. Tipos de flujos de energía encontrados en ecosistemas • Radiación solar (difusa y directa) • Fotosíntesis • Ingestión (energía química) • Asimilación de la energía química de los alimentos • Excreción • Liberación de la energía durante la descomposición • Energía guardada en los sedimentos • Radiación de onda larga de la atmósfera • Radiación de onda larga de los componentes bióticos de un ecosistema • Radiación de onda larga de los componentes abióticos • Intercambio de calor sensible desde y hacia la atmósfera y la hidrosfera • Flujo calórico desde y hacia el suelo. • Generación de calor por condensación, derretimiento de hielo y evaporación • Viento

26. Características básicas de la energía. • Energía potencial: aquella capaz de generar un proceso de transformación de energía (trabajo). • La energía se define y se mide como la cantidad de calor que es generado cuando una energía es transforma 100% en calor. • La tasa de flujo de la energía en trabajo util se conoce como poder. • El lenguaje de la energía se preocupa del registro de los flujos de energía potencial desde las fuentes hasta los lugares de almacenamiento o a las transformaciones en trabajo o en energía degradada que deja el sistema. • Lotka, Odum y Pinkerton proponen que los sistemas que prevalecen son aquellos que maximizan el flujo de energía útil, poder. Ello implica la existencia de circuitos autocatalíticos. • Nicolis, Prigogine y Odum sugieren mas tarde que ello solo ocurre a altos niveles de energía potencial. Cuando estos son bajos, la energía solo se degrada.

27. Los ecosistemas y la jerarquía energética • Las transformaciones de la energía, desde el sol hasta los depredadores, corresponde también a un aumento en la calidad de la misma. • Los flujos de energía de baja calidad son abundantes y muy dispersos, en cambio aquellos de alta calidad son mas concentrados. También se produce un aumento en el tamaño de la unidad. • A mas pasos se necesitan para generar un tipo de energía, por ejemplo respecto de la energía solar, mayor su calidad y mayor la energía total necesaria para generar una caloría. • Las energías de alta calidad obtienen su máximo efecto cuando generar circuitos de retroalimentación que amplifican o generan control en los flujos de energía de baja calidad. • Emergía: las calorías de un tipo de energía (A) necesarias para generar otro tipo de energía (B). (Unidades: emjoules o emcalorias). (NO ES MEDIBLE EN UN CALORIMETRO). • Transformidad: la razón A/B (Unidades: emjoules por joule).

28. Ejemplos de Transformidades (Solar emjoules/joule)

29. Calidad de la energía: calorías solares/calorías Flujos: cal/t 10^2 10^3 10^5 10^4

30. Ejemplos del uso de emergía y transformidad. Supuesto: B/A = 1000 A joules 3 3000 emjoules 10 4000 1000 B 2 1000 4000 SOL

31. Ejemplos del uso de emergía y transformidad 1000 10 100 1 Joules/día 1000 1000 1000 1000 Emjoules/día 1 10 100 1000 Emjoules/joules

32. Ejemplos del uso de emergía y transformidad Tipo #2 Emcal/día Cal/día 5 500 (100) Emcal/cal Tipo # 1 1000 1500 20 100 (10)

33. Transformaciones en una cadena trófica

34. Un ecosistema diferente: “Hydrothermal vents”

35. Aplicaciones en el campo de la economía Emergía neta= Y/I I Recursos No-renovables F Y La Economía Proceso Recursos Renovables

36. La auto-organización desde una perspectiva energética • Cuando una fuente de energía, genera energía neta mas allá del proceso que la ingresa al sistema, esta puede maximizar el poder de varias formas: • Crecimiento que facilita la obtención de mas energía. • Subsidiar el ingreso de energía de otro proceso • Como intercambio por mas energía • Para generar mecanismos de conservación y aumento de eficiencia cuando otras fuentes de energía no están disponibles. • La presencia de circuitos de retroalimentación de energía de alta calidad permite mejorar el ingreso de energía al sistema.

37. Vías de reciclaje en un ecosistema • Descomposición. • Excreción • Simbiosis • Ciclo hidrológico • Ciclo industrial

38. Pasos para poder entender un sistema • Reúna información sobre el sistema y gente que conozca el sistema. • Haga una lista de las fuentes de energía, los componentes de almacenamiento, procesos e interacciones. • Genere un diagrama arreglando las fuentes de energía de acuerdo a su calidad. • Haga tantos esquemas del sistema como sea necesario hasta que todos los componentes de interés estén incorporados. • Simplifique y agregue el sistema • Evalúe los flujos numéricamente • Re-evalúe los flujos usando emjoules • Simule el sistema traduciendo los flujos en ecuaciones diferenciales • Compare el modelo con el sistema real • Busque generalidades en varios sistemas incluyendo el trabajo de otros • Busque la forma de disminuir el numero de sistemas básicos, generales, que puedan dar cuenta de sistemas en varios niveles de organización.

39. La unidad de los sistemas Almacenamiento desordenado Almacen ordenado Consumidores Transformación productiva

40. Características de un ecosistema (modelos). • Fuentes de energía externa • Conjunto de componentes con circuitos de retroalimentación • Convergencia de transformaciones de energía para producir cadenas de calidad • Aumento del tiempo de respuesta y el tamaño espacial a lo largo de la cadena para absorber las fluctuaciones en los flujos de energía. • Reciclaje de materiales • Sistemas de control de retroalimentación • Interacciones entre flujos de energía de distinta calidad, para maximizar el poder.

41. Una crítica a la visión de H. T. Odum (Måson y Glade, 1993) Las conjeturas • Conjetura 1: Todos los aspectos significativos de los ecosistemas pueden ser capturados por un solo concepto, energía. • Conjetura 2: Para desarrollar una aproximación holista es suficiente el uso del lenguaje de los circuitos de energía. • Conjetura 3: Los sistemas evolucionan hacia una maximización del poder • Conjetura 4: Las estructuras jerárquicas, limites de los sistemas y componentes siempre pueden ser deducidos y resueltos taxonomicamente. • Conjetura 5: La sucesión ecológica es debida al principio de maximización del poder en los ecosistemas. Culmina en sistemas estabilizados con una máxima biomasa y funciones simbióticas entre organismos por unidad de flujo de energía disponible.

42. Una crítica a la visión de H. T. Odum (Måson y Glade, 1993) Las críticas a las conjeturas • Su uso de la termodinámica es no convencional y de hecho requiere de redefinir, a veces de manera circular, muchos términos. • Muy pocas relaciones no-lineales pueden ser descritas por los símbolos. • Usa conceptos de la termodinámica lineal de sistemas fuera del equilibrio. • Los ecosistemas no necesariamente pueden ser descompuestos en unidades o componentes. Aún más, la visión termodinámica de las especies es lo suficientemente oscura que resulta indescifrable. • La existencia de oscilaciones continuas en los ecosistemas es contraria al principio de maximización durante la sucesión ecosistémica.

43. La evaluación de teorías en ecología (O’Neill et al, 1986). • Deben ser internamente consistentes. • No deben ser adoptadas simplemente por su éxito en otras disciplinas • Deben considerar las propiedades conocidas de los ecosistemas • Deben ser capaces de producir nuevas hipótesis, susceptibles de ser puestas a prueba El veredicto!

44. Consistencia interna • Contradicción entre la aplicación de una perspectiva holista, y una estructura conceptual altamente reduccionista.

45. El éxito de la física en la ecología • Algunos conceptos de la física parecieran tener, pese a su extremo reduccionismo, una aplicación en ecología. Sin embargo, otros como los de emergía y transformidad son dependientes de las circunstancias y no pueden ser derivados para sistemas fuera de una condición clímax.

46. El principio del máximo poder y los datos • Este principio se contradice tanto a datos sobre flujos de energía en ecosistemas como a resultado de modelos numéricos. • No describe adecuadamente los procesos evolutivos

47. La generación de hipótesis • El principio del máximo poder, una versión del principio enunciado por Lotka, no ha sido capaz de derivar las características de los sistemas ecológicos para los cuales sería valido.

48. La alternativa (según Måson y Glade, 1993) • La exergía!

49. Sobre la consistencia entre las aproximaciones termodinámicas y de redes a los ecosistemas Søren N. Nielsen & Robert E. Ulanowicz Ecological Modelling (2000) 132: 23-31

50. Teoría de Ecosistemas Moderna Redes Energética Eº estructura entropía Termodinámica de procesos irreversibles