Bloque I · Geología, biología y trabajo experimental

Tema 73

Ecología. Poblaciones, comunidades y ecosistemas. Componentes e interacciones en un ecosistema. Funcionamiento y autorregulación del ecosistema. Los principales problemas ambientales y sus repercusiones políticas, económicas y sociales. La educación ambiental.

Por Adrián Peinado, profesor de Física y Química en Secundaria

La ecología estudia las relaciones de los seres vivos entre sí y con el medio físico que habitan. Es una ciencia integradora que conecta la biología con la química, la física, la geología y las ciencias sociales, y que proporciona el marco conceptual para comprender la crisis ambiental contemporánea. Su relevancia didáctica es doble: por un lado, sistematiza el conocimiento sobre el funcionamiento de la naturaleza; por otro, fundamenta la educación ambiental y la formación de una ciudadanía capaz de decidir sobre sostenibilidad.

Dentro del temario de Física y Química (cuerpo 590-007), este tema pertenece a un bloque de contenidos de ciencias de la naturaleza de carácter integrador, y da sentido a otros temas del temario relativos a los ciclos de la materia, la energía y la química ambiental. En lo que sigue se desarrollan el concepto de ecología y sus niveles de organización, las poblaciones, comunidades y ecosistemas, los componentes e interacciones de un ecosistema, su funcionamiento y autorregulación, los grandes problemas ambientales y, por último, la educación ambiental.

1. Concepto de ecología. Niveles de organización

El término ecología (del griego oikos, casa, y logos, tratado) fue acuñado por Ernst Haeckel en 1866 para designar el estudio de las relaciones entre los organismos y su entorno. Tradicionalmente se distinguen tres enfoques:

Autoecología: estudia la relación de una especie con los factores del medio.
Demoecología o dinámica de poblaciones: estudia los conjuntos de individuos de la misma especie.
Sinecología: estudia las comunidades y los ecosistemas en su conjunto.

La materia viva se organiza en una jerarquía de niveles de organización de complejidad creciente que son objeto de la ecología:

\text{individuo} \rightarrow \text{población} \rightarrow \text{comunidad} \rightarrow \text{ecosistema} \rightarrow \text{bioma} \rightarrow \text{biosfera}

El individuo es la unidad biológica elemental. La población reúne a los individuos de una misma especie que comparten un espacio y un tiempo. La comunidad o biocenosis agrupa a todas las poblaciones que conviven en un área. El ecosistema integra la biocenosis con su medio físico o biótopo. El bioma es un gran conjunto de ecosistemas con vegetación y clima característicos (selva, tundra, desierto), y la biosfera es el conjunto de todos los ecosistemas del planeta: la fina película en la que existe vida.

2. Poblaciones, comunidades y ecosistemas

La población y su dinámica

Una población se caracteriza por parámetros como la densidad (individuos por unidad de superficie o volumen), la natalidad, la mortalidad y los movimientos migratorios (inmigración y emigración). La variación del número de individuos $N$ depende de la tasa intrínseca de crecimiento $r = b - d$ , donde $b$ es la tasa de natalidad y $d$ la de mortalidad.

En un medio con recursos ilimitados, la población crece de forma exponencial:

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

que da una curva en forma de J. Como los recursos son finitos, el crecimiento real está limitado por la capacidad de carga $K$ del medio, y sigue el modelo logístico de Verhulst:

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

cuya solución es una curva sigmoidea (en forma de S) que se estabiliza en $N = K$ . Cuando $N \ll K$ el crecimiento es casi exponencial; cuando $N \to K$ la tasa tiende a cero. Según su estrategia demográfica, las especies se clasifican en estrategas de la r (alta natalidad, vida corta, poblaciones fluctuantes) y estrategas de la K (baja natalidad, cuidado parental, poblaciones estables cercanas a la capacidad de carga).

Figura 1. Modelos de crecimiento de una población. Con recursos ilimitados el crecimiento sería exponencial (curva en J); como los recursos son finitos, el crecimiento real se frena al aproximarse a la capacidad de carga K y describe una curva sigmoidea. Elaboración propia

La estructura de una población se estudia también mediante pirámides de edades y curvas de supervivencia, que describen la probabilidad de sobrevivir a cada edad.

La comunidad o biocenosis

La comunidad se describe por su riqueza específica (número de especies) y por su diversidad, que combina riqueza y abundancia relativa. Un índice muy utilizado es el de Shannon:

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

donde $p_i$ es la proporción de individuos de la especie $i$ y $S$ el número de especies. El índice de Simpson mide la dominancia:

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

Cada especie ocupa un nicho ecológico, es decir, el conjunto de condiciones y recursos que utiliza (su “profesión” en el ecosistema), frente al hábitat, que es el lugar donde vive (su “domicilio”). El principio de exclusión competitiva de Gause establece que dos especies con nichos idénticos no pueden coexistir indefinidamente: una desplaza a la otra.

El ecosistema

El concepto de ecosistema fue introducido por Arthur Tansley en 1935 para designar la unidad funcional formada por la biocenosis y el biótopo, ligados por un flujo de energía y un ciclo de materia. Es la unidad básica de estudio de la ecología moderna.

3. Componentes e interacciones en un ecosistema

Componentes abióticos (biótopo)

El biótopo incluye los factores físico-químicos: luz, temperatura, humedad, pH, salinidad, nutrientes, sustrato. Su influencia se sintetiza en dos leyes clásicas. La ley del mínimo de Liebig afirma que el crecimiento está limitado por el recurso que se encuentra en menor proporción respecto a las necesidades (factor limitante). La ley de tolerancia de Shelford añade que cada especie prospera dentro de un intervalo de valores de cada factor, entre un mínimo y un máximo, con un óptimo intermedio.

Componentes bióticos (biocenosis)

Según su papel en el flujo de materia y energía, los organismos se agrupan en:

Productores o autótrofos: sintetizan materia orgánica a partir de inorgánica. Los fotosintéticos captan energía luminosa:

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

Consumidores o heterótrofos: se alimentan de otros seres vivos (herbívoros o consumidores primarios, carnívoros o secundarios y terciarios).
Descomponedores (bacterias y hongos) y detritívoros: degradan la materia orgánica muerta y devuelven los nutrientes inorgánicos al medio, cerrando el ciclo de la materia.

Interacciones

Las relaciones intraespecíficas (entre individuos de la misma especie) pueden ser de asociación (familiar, gregaria, colonial, social) o de competencia por los recursos y el territorio. Las relaciones interespecíficas más importantes son:

Depredación y herbivorismo (+/−): un organismo se alimenta de otro.
Competencia (−/−): dos especies compiten por un recurso común.
Mutualismo (+/+): beneficio recíproco (p. ej., micorrizas, líquenes); si es obligado se denomina simbiosis estricta.
Comensalismo (+/0): uno se beneficia sin perjudicar al otro.
Parasitismo (+/−): el parásito vive a expensas del hospedador.
Amensalismo (−/0) e inquilinismo, entre otras.

Estas interacciones, junto con la depredación, actúan como mecanismos de regulación del tamaño de las poblaciones.

4. Funcionamiento y autorregulación del ecosistema

Flujo de energía

La energía entra en el ecosistema como radiación solar, es fijada por los productores y se transfiere a lo largo de las cadenas y redes tróficas, disipándose finalmente como calor. A diferencia de la materia, la energía fluye en un solo sentido: no se recicla, en cumplimiento del segundo principio de la termodinámica.

La energía fijada por los productores es la producción primaria bruta (PPB). Descontando la que consumen en su propia respiración ( $R$ ), se obtiene la producción primaria neta (PPN), la realmente disponible para el resto del ecosistema:

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

En cada paso de un nivel trófico al siguiente solo se aprovecha una fracción de la energía. La eficiencia ecológica ronda el 10 % (ley del 10 % de Raymond Lindeman, 1942): si un nivel dispone de energía $E_n$ , el siguiente recibe aproximadamente

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

Por ello, las cadenas tróficas rara vez superan los 4-5 eslabones y la biomasa disminuye al ascender. Esta pérdida se representa en las pirámides ecológicas de energía, de biomasa y de números, cuya base son los productores.

Figura 2. Pirámide de energía. De la energía disponible en un nivel trófico solo pasa al siguiente en torno al 10 %: el resto se consume en la respiración y se disipa como calor. Por eso la pirámide se estrecha tan deprisa y las cadenas tróficas tienen pocos eslabones. Elaboración propia

Ciclos biogeoquímicos

Al contrario que la energía, la materia se recicla. Los principales ciclos son:

Ciclo del carbono: la fotosíntesis retira $\mathrm{CO_2}$ atmosférico y la respiración, la descomposición y la combustión lo devuelven.
Ciclo del nitrógeno: la fijación transforma $\mathrm{N_2}$ en formas asimilables; sigue la nitrificación y la desnitrificación:

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

Ciclo del fósforo: de carácter sedimentario, sin fase gaseosa relevante; a menudo es el nutriente limitante en aguas continentales.
Ciclo del agua: motor físico que conecta todos los demás.

Autorregulación

Un ecosistema maduro tiende a la homeostasis: mantiene su estructura y funciones dentro de ciertos límites gracias a mecanismos de retroalimentación negativa (por ejemplo, el control mutuo entre depredador y presa). Frente a una perturbación, un ecosistema muestra resistencia (capacidad de no alterarse) y resiliencia (capacidad de recuperarse).

Esta autorregulación se manifiesta también en la sucesión ecológica: la secuencia ordenada de comunidades que se reemplazan en un lugar hasta alcanzar un estado maduro y estable, el clímax. La sucesión primaria parte de un sustrato sin vida (una colada de lava, una roca desnuda); la sucesión secundaria ocurre sobre un suelo ya formado tras una perturbación (un incendio, un abandono agrícola). Como describió Ramón Margalef, a lo largo de la sucesión aumentan la biomasa, la diversidad y la complejidad de las redes tróficas, y disminuye la producción neta por unidad de biomasa: el ecosistema maduro es más eficiente energéticamente.

5. Los principales problemas ambientales y sus repercusiones políticas, económicas y sociales

La actividad humana altera los ciclos y equilibrios anteriores a una velocidad sin precedentes. Los principales problemas son:

Cambio climático: el aumento de gases de efecto invernadero ( $\mathrm{CO_2}$ , $\mathrm{CH_4}$ , $\mathrm{N_2O}$ ), sobre todo por la combustión de combustibles fósiles, intensifica el efecto invernadero y eleva la temperatura media global, con impactos en el clima, el nivel del mar y los ecosistemas.
Destrucción de la capa de ozono: los clorofluorocarbonos (CFC) catalizan la destrucción del ozono estratosférico ( $\mathrm{O_3}$ ), que filtra la radiación ultravioleta.
Lluvia ácida: los óxidos de azufre y nitrógeno originan ácidos que acidifican aguas y suelos: $\mathrm{SO_2} \rightarrow \mathrm{H_2SO_4}$ y $\mathrm{NO_x} \rightarrow \mathrm{HNO_3}$ .
Contaminación del agua, el suelo y el aire; eutrofización de las aguas por exceso de nitratos y fosfatos.
Pérdida de biodiversidad, deforestación, desertificación y sobreexplotación de recursos.
Generación de residuos y agotamiento de materias primas.

Estos problemas tienen repercusiones políticas, económicas y sociales de gran alcance. En lo político, han impulsado la cooperación internacional: la Cumbre de Estocolmo (1972), la de Río (1992), el Protocolo de Kioto (1997) y el Acuerdo de París (2015). En lo económico, obligan a asumir los costes ambientales (principio “quien contamina, paga”) y a transitar hacia una economía circular y las energías renovables. En lo social, generan desigualdades —los más vulnerables sufren más los impactos—, migraciones climáticas y conflictos por los recursos. El marco que integra estas dimensiones es el desarrollo sostenible, definido en el Informe Brundtland (1987) como aquel que satisface las necesidades del presente sin comprometer las de las generaciones futuras, y concretado hoy en los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030.

6. La educación ambiental

La educación ambiental es el proceso que forma personas conscientes y comprometidas con el medio, dotadas de conocimientos, valores y competencias para actuar de forma sostenible. Fue consolidada institucionalmente en la Conferencia de Tbilisi (UNESCO, 1977), que fijó sus objetivos: conciencia, conocimientos, actitudes, aptitudes y participación.

Sus principios pedagógicos son la orientación hacia la resolución de problemas reales, el enfoque interdisciplinar, la conexión con el entorno próximo y el fomento de la acción responsable (“pensar globalmente, actuar localmente”). No se limita a transmitir información: busca un cambio de valores y de conducta.

Aplicación didáctica

En el currículo LOMLOE (Real Decreto 217/2022), los contenidos de ecología y medio ambiente están presentes en las materias de Biología y Geología y de Física y Química de la ESO, y la sostenibilidad aparece como eje transversal y como una de las competencias clave del perfil de salida. Se concreta, por ejemplo, en la competencia específica de aplicar los saberes científicos para interpretar y actuar sobre problemas de sostenibilidad, y conecta de forma natural con la competencia STEM y con la ciudadanía activa.

La ecología es un contexto idóneo para plantear situaciones de aprendizaje basadas en problemas cercanos (el consumo energético del centro, la gestión de residuos, la calidad del agua o del aire local) y en proyectos que integran toma de datos, modelización y argumentación. Conviene anticipar errores frecuentes del alumnado: confundir cadena y red trófica; creer que la energía se recicla como la materia; pensar que los descomponedores son “menos importantes”; identificar “natural” con “inofensivo”; o confundir el agujero de ozono con el efecto invernadero, que son fenómenos distintos. El trabajo con datos reales, gráficas de crecimiento poblacional y pirámides tróficas ayuda a corregir estas concepciones alternativas.

Conclusión

La ecología ofrece una visión integrada de la naturaleza en la que los seres vivos y su medio forman ecosistemas atravesados por un flujo unidireccional de energía y un reciclado de la materia. El estudio de las poblaciones, las comunidades y sus interacciones, junto con los mecanismos de autorregulación y sucesión, explica cómo se mantiene el equilibrio dinámico de la biosfera. La comprensión de este funcionamiento es la base para interpretar los grandes problemas ambientales y sus repercusiones, y para fundamentar una educación ambiental que forme ciudadanos capaces de construir un futuro sostenible. Por su carácter integrador y su vigencia social, es uno de los temas con mayor proyección didáctica del currículo de ciencias.

Bibliografía

Smith, T. M. y Smith, R. L. (2007). Ecología (6.ª ed.). Pearson Educación.
Odum, E. P. y Barrett, G. W. (2006). Fundamentos de ecología (5.ª ed.). Thomson.
Begon, M., Townsend, C. R. y Harper, J. L. (2006). Ecology: From Individuals to Ecosystems (4.ª ed.). Blackwell.
Margalef, R. (1998). Ecología. Omega.
Orden de 9 de septiembre de 1993 (BOE núm. 226), por la que se aprueban los temarios del cuerpo de Profesores de Enseñanza Secundaria, especialidad Física y Química (590-007).
Real Decreto 217/2022, de 29 de marzo, currículo de Educación Secundaria Obligatoria (LOMLOE).