Tema 73

L'ecologia estudia les relacions dels éssers vius entre si i amb el medi físic que habiten. És una ciència integradora que connecta la biologia amb la química, la física, la geologia i les ciències socials, i que proporciona el marc conceptual per a comprendre la crisi ambiental contemporània. La seua rellevància didàctica és doble: d'una banda, sistematitza el coneixement sobre el funcionament de la naturalesa; d'una altra, fonamenta l'educació ambiental i la formació d'una ciutadania capaç de decidir sobre sostenibilitat.

Dins del temari de Física i Química (cos 590-007), aquest tema pertany a un bloc de continguts de ciències de la naturalesa de caràcter integrador, i dóna sentit a altres temes del temari relatius als cicles de la matèria, l'energia i la química ambiental. En el que segueix es desenvolupen el concepte d'ecologia i els seus nivells d'organització, les poblacions, comunitats i ecosistemes, els components i interaccions d'un ecosistema, el seu funcionament i autoregulació, els grans problemes ambientals i, finalment, l'educació ambiental.

1. Concepte d'ecologia. Nivells d'organització

El terme ecologia (del grec oikos, casa, i logos, tractat) va ser encunyat per Ernst Haeckel en 1866 per a designar l'estudi de les relacions entre els organismes i el seu entorn. Tradicionalment es distingeixen tres enfocaments:

• Autoecologia: estudia la relació d'una espècie amb els factors del medi.
• Demoecologia o dinàmica de poblacions: estudia els conjunts d'individus de la mateixa espècie.
• Sinecologia: estudia les comunitats i els ecosistemes en el seu conjunt.

La matèria viva s'organitza en una jerarquia de nivells d'organització de complexitat creixent que són objecte de l'ecologia:

$$\text{individu} \rightarrow \text{població} \rightarrow \text{comunitat} \rightarrow \text{ecosistema} \rightarrow \text{bioma} \rightarrow \text{biosfera}$$

L'individu és la unitat biològica elemental. La població reuneix els individus d'una mateixa espècie que comparteixen un espai i un temps. La comunitat o biocenosi agrupa totes les poblacions que conviuen en una àrea. L'ecosistema integra la biocenosi amb el seu medi físic o biòtop. El bioma és un gran conjunt d'ecosistemes amb vegetació i clima característics (selva, tundra, desert), i la biosfera és el conjunt de tots els ecosistemes del planeta: la fina pel·lícula en la qual existeix vida.

2. Poblacions, comunitats i ecosistemes

La població i la seua dinàmica

Una població es caracteritza per paràmetres com la densitat (individus per unitat de superfície o volum), la natalitat, la mortalitat i els moviments migratoris (immigració i emigració). La variació del nombre d' individus $N$ depèn de la taxa intrínseca de creixement $r = b - d$, on $b$ és la taxa de natalitat i $d$ la de mortalitat.

En un medi amb recursos il·limitats, la població creix de forma exponencial:

$$\frac{dN}{dt} = rN \qquad \Longrightarrow \qquad N(t) = N_0\,e^{rt}$$

que dóna una corba en forma de J. Com que els recursos són finits, el creixement real està limitat per la capacitat de càrrega $K$ del medi, i segueix el model logístic de Verhulst:

$$\frac{dN}{dt} = rN\left(\frac{K - N}{K}\right)$$

la solució del qual és una corba sigmoide (en forma de S) que s'estabilitza en $N = K$. Quan $N \ll K$ el creixement és quasi exponencial; quan $N \to K$ la taxa tendeix a zero. Segons la seua estratègia demogràfica, les espècies es classifiquen en estrategues de la r (alta natalitat, vida curta, poblacions fluctuants) i estrategues de la K (baixa natalitat, cura parental, poblacions estables pròximes a la capacitat de càrrega).

L'estructura d'una població s'estudia també mitjançant piràmides d'edats i corbes de supervivència, que descriuen la probabilitat de sobreviure a cada edat.

La comunitat o biocenosi

La comunitat es descriu per la seua riquesa específica (nombre d'espècies) i per la seua diversitat, que combina riquesa i abundància relativa. Un índex molt utilitzat és el de Shannon:

$$H' = -\sum_{i=1}^{S} p_i \ln p_i$$

on $p_i$ és la proporció d'individus de l'espècie $i$ i $S$ el nombre d' espècies. L'índex de Simpson mesura la dominància:

$$D = 1 - \sum_{i=1}^{S} p_i^{\,2}$$

Cada espècie ocupa un nínxol ecològic, és a dir, el conjunt de condicions i recursos que utilitza (la seua "professió" en l'ecosistema), enfront de l'hàbitat, que és el lloc on viu (el seu "domicili"). El principi d'exclusió competitiva de Gause estableix que dues espècies amb nínxols idèntics no poden coexistir indefinidament: una desplaça l'altra.

L'ecosistema

El concepte d'ecosistema va ser introduït per Arthur Tansley en 1935 per a designar la unitat funcional formada per la biocenosi i el biòtop, lligats per un flux d'energia i un cicle de matèria. És la unitat bàsica d'estudi de l' ecologia moderna.

3. Components i interaccions en un ecosistema

Components abiòtics (biòtop)

El biòtop inclou els factors fisicoquímics: llum, temperatura, humitat, pH, salinitat, nutrients, substrat. La seua influència se sintetitza en dues lleis clàssiques. La llei del mínim de Liebig afirma que el creixement està limitat pel recurs que es troba en menor proporció respecte a les necessitats (factor limitant). La llei de tolerància de Shelford afig que cada espècie prospera dins d'un interval de valors de cada factor, entre un mínim i un màxim, amb un òptim intermedi.

Components biòtics (biocenosi)

Segons el seu paper en el flux de matèria i energia, els organismes s'agrupen en:

• Productors o autòtrofs: sintetitzen matèria orgànica a partir d'inorgànica. Els fotosintètics capten energia lluminosa:

$$6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \xrightarrow{\;llum\;} \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$$

• Consumidors o heteròtrofs: s'alimenten d'altres éssers vius (herbívors o consumidors primaris, carnívors o secundaris i terciaris).
• Descomponedors (bacteris i fongs) i detritívors: degraden la matèria orgànica morta i retornen els nutrients inorgànics al medi, tancant el cicle de la matèria.

Interaccions

Les relacions intraespecífiques (entre individus de la mateixa espècie) poden ser d'associació (familiar, gregària, colonial, social) o de competència pels recursos i el territori. Les relacions interespecífiques més importants són:

• Depredació i herbivorisme (+/−): un organisme s'alimenta d'un altre.
• Competència (−/−): dues espècies competeixen per un recurs comú.
• Mutualisme (+/+): benefici recíproc (p. ex., micorizes, líquens); si és obligat s'anomena simbiosi estricta.
• Comensalisme (+/0): un es beneficia sense perjudicar l'altre.
• Parasitisme (+/−): el paràsit viu a costa de l'hoste.
• Amensalisme (−/0) i inquilinisme, entre altres.

Aquestes interaccions, juntament amb la depredació, actuen com a mecanismes de regulació de la grandària de les poblacions.

4. Funcionament i autoregulació de l'ecosistema

Flux d'energia

L'energia entra en l'ecosistema com a radiació solar, és fixada pels productors i es transfereix al llarg de les cadenes i xarxes tròfiques, dissipant-se finalment com a calor. A diferència de la matèria, l'energia flueix en un sol sentit: no es recicla, en compliment del segon principi de la termodinàmica.

L'energia fixada pels productors és la producció primària bruta (PPB). Descomptant la que consumeixen en la seua pròpia respiració ($R$), s'obté la producció primària neta (PPN), la realment disponible per a la resta de l' ecosistema:

$$\mathrm{PPN} = \mathrm{PPB} - R$$

En cada pas d'un nivell tròfic al següent només s'aprofita una fracció de l' energia. L'eficiència ecològica ronda el 10 % (llei del 10 % de Raymond Lindeman, 1942): si un nivell disposa d'energia $E_n$, el següent rep aproximadament

$$E_{n+1} \approx 0{,}1\,E_n$$

Per això, les cadenes tròfiques rarament superen els 4-5 baules i la biomassa disminueix en ascendir. Aquesta pèrdua es representa en les piràmides ecològiques d'energia, de biomassa i de nombres, la base de les quals són els productors.

Cicles biogeoquímics

Al contrari que l'energia, la matèria es recicla. Els principals cicles són:

• Cicle del carboni: la fotosíntesi retira $\mathrm{CO_2}$ atmosfèric i la respiració, la descomposició i la combustió el retornen.
• Cicle del nitrogen: la fixació transforma $\mathrm{N_2}$ en formes assimilables; segueix la nitrificació i la desnitrificació:

$$\mathrm{N_2} \rightarrow \mathrm{NH_4^+} \rightarrow \mathrm{NO_2^-} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} \rightarrow \mathrm{N_2}$$

• Cicle del fòsfor: de caràcter sedimentari, sense fase gasosa rellevant; a sovint és el nutrient limitant en aigües continentals.
• Cicle de l'aigua: motor físic que connecta tots els altres.

Autoregulació

Un ecosistema madur tendeix a l'homeòstasi: manté la seua estructura i funcions dins de certs límits gràcies a mecanismes de retroalimentació negativa (per exemple, el control mutu entre depredador i presa). Enfront d'una pertorbació, un ecosistema mostra resistència (capacitat de no alterar-se) i resiliència (capacitat de recuperar-se).

Aquesta autoregulació es manifesta també en la successió ecològica: la seqüència ordenada de comunitats que es reemplacen en un lloc fins a assolir un estat madur i estable, el clímax. La successió primària parteix d'un substrat sense vida (una colada de lava, una roca nua); la successió secundària ocorre sobre un sòl ja format després d'una pertorbació (un incendi, un abandonament agrícola). Com va descriure Ramón Margalef, al llarg de la successió augmenten la biomassa, la diversitat i la complexitat de les xarxes tròfiques, i disminueix la producció neta per unitat de biomassa: l'ecosistema madur és més eficient energèticament.

5. Els principals problemes ambientals i les seues repercussions polítiques, econòmiques i socials

L'activitat humana altera els cicles i equilibris anteriors a una velocitat sense precedents. Els principals problemes són:

• Canvi climàtic: l'augment de gasos d'efecte hivernacle ($\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{CH_4}$, $\mathrm{N_2O}$), sobretot per la combustió de combustibles fòssils, intensifica l'efecte hivernacle i eleva la temperatura mitjana global, amb impactes en el clima, el nivell del mar i els ecosistemes.
• Destrucció de la capa d'ozó: els clorofluorocarburs (CFC) catalitzen la destrucció de l'ozó estratosfèric ($\mathrm{O_3}$), que filtra la radiació ultraviolada.
• Pluja àcida: els òxids de sofre i nitrogen originen àcids que acidifiquen aigües i sòls: $\mathrm{SO_2} \rightarrow \mathrm{H_2SO_4}$ i $\mathrm{NO_x} \rightarrow \mathrm{HNO_3}$.
• Contaminació de l'aigua, el sòl i l'aire; eutrofització de les aigües per excés de nitrats i fosfats.
• Pèrdua de biodiversitat, desforestació, desertificació i sobreexplotació de recursos.
• Generació de residus i esgotament de matèries primeres.

Aquests problemes tenen repercussions polítiques, econòmiques i socials de gran abast. En l'àmbit polític, han impulsat la cooperació internacional: la Cimera d'Estocolm (1972), la de Rio (1992), el Protocol de Kyoto (1997) i l'Acord de París (2015). En l'àmbit econòmic, obliguen a assumir els costos ambientals (principi "qui contamina, paga") i a transitar cap a una economia circular i les energies renovables. En l'àmbit social, generen desigualtats —els més vulnerables pateixen més els impactes—, migracions climàtiques i conflictes pels recursos. El marc que integra aquestes dimensions és el desenvolupament sostenible, definit en l'Informe Brundtland (1987) com aquell que satisfà les necessitats del present sense comprometre les de les generacions futures, i concretat hui en els Objectius de Desenvolupament Sostenible (ODS) de l'Agenda 2030.

6. L'educació ambiental

L'educació ambiental és el procés que forma persones conscients i compromeses amb el medi, dotades de coneixements, valors i competències per a actuar de forma sostenible. Va ser consolidada institucionalment en la Conferència de Tbilisi (UNESCO, 1977), que va fixar els seus objectius: consciència, coneixements, actituds, aptituds i participació.

Els seus principis pedagògics són l'orientació cap a la resolució de problemes reals, l'enfocament interdisciplinari, la connexió amb l'entorn pròxim i el foment de l'acció responsable ("pensar globalment, actuar localment"). No es limita a transmetre informació: busca un canvi de valors i de conducta.

Aplicació didàctica

En el currículum LOMLOE (Real Decreto 217/2022), els continguts d'ecologia i medi ambient estan presents en les matèries de Biologia i Geologia i de Física i Química de l'ESO, i la sostenibilitat apareix com a eix transversal i com una de les competències clau del perfil d'eixida. Es concreta, per exemple, en la competència específica d'aplicar els sabers científics per a interpretar i actuar sobre problemes de sostenibilitat, i connecta de forma natural amb la competència STEM i amb la ciutadania activa.

L'ecologia és un context idoni per a plantejar situacions d'aprenentatge basades en problemes propers (el consum energètic del centre, la gestió de residus, la qualitat de l'aigua o de l'aire local) i en projectes que integren presa de dades, modelització i argumentació. Convé anticipar errors freqüents de l'alumnat: confondre cadena i xarxa tròfica; creure que l'energia es recicla com la matèria; pensar que els descomponedors són "menys importants"; identificar "natural" amb "innocu"; o confondre el forat d'ozó amb l'efecte hivernacle, que són fenòmens distints. El treball amb dades reals, gràfiques de creixement poblacional i piràmides tròfiques ajuda a corregir aquestes concepcions alternatives.

Conclusió

L'ecologia ofereix una visió integrada de la naturalesa en la qual els éssers vius i el seu medi formen ecosistemes travessats per un flux unidireccional d' energia i un reciclatge de la matèria. L'estudi de les poblacions, les comunitats i les seues interaccions, juntament amb els mecanismes d'autoregulació i successió, explica com es manté l'equilibri dinàmic de la biosfera. La comprensió d'aquest funcionament és la base per a interpretar els grans problemes ambientals i les seues repercussions, i per a fonamentar una educació ambiental que forme ciutadans capaços de construir un futur sostenible. Pel seu caràcter integrador i la seua vigència social, és un dels temes amb major projecció didàctica del currículum de ciències.