Ecologia: estructura i dinàmica dels ecosistemes I

Estructura i dinàmica dels ecosistemes

Ecologia:  ciència que estudia les relacions dels organismes entre sí i amb el medi en què habiten. S'ocupa, per tant, de l'estudi dels ecosistemes, espais que integren un conjunt d'éssers vius, factors ambientals i les relacions que s'hi estableixen entre ells.

Tots els ecosistemes estan formats per dos components bàsics: el biòtop i la biocenosi. En un ecosistema tots els elements estan relacionats, és a dir, depenen els uns dels altres.

El biòtop és el componen abiòtic, és a dir, és la part no viu, inert, de l'ecosistema, el medi físic i les seves propietats fisicoquímiques. Aquestes propietats depenen de factors ambientals, com la llum, la temperatura, l'aigua, la salinitat, el pH, el tipus de sòl, etc. Aquests són els factors abiòtics. 

La biocenosi (o comunitats) és el component biòtic d'un ecosistema, és a dir, el conjunt d'éssers vius que hi habiten en aquell lloc determinat i que es relacionen entre ells (bacteris, protoctists, fongs, vegetals i animals). 

Els ecosistemes tenen mides molt variables: poden ser molt petits, com un arbre caigut o una bassa, o molt grans, com el desert, l'oceà o l'ecosfera, que comprèn tota la Terra. Així, els ecosistemes es troben englobats els uns dins dels altres, i sempre interaccionen entre sí. Els límits entre ecosistemes s'anomenen ecotons, i són zones de transició que formen barreres geogràfiques o canvis en la vegetació, tipus de roques... en les quals el biòtop, i per tant també les comunitats, canvien de manera més o menys sobtada. Aquestes zones presenten espècies dels ecosistemes limitants entre sí, o de vegades espècies pròpies.

Segons el medi en què els éssers vius duen a terme les seves funcions, es distingeixen dos tipus d'ecosistemes:

- Aquàtics: poden ser marins o d'aigua dolça, cadascun amb biòtops i biocenosi característics.

- Terrestres: segons les condicions climàtiques es diferencien en tres grans zones a cada hemisferi:

                - freda, des dels pols fins als cercles polars

                - temperada, des dels cercles polars als tròpics

                - càlida, entre el tròpic de Càncer i el de Capricorn

Un bioma està constituït per les diverses zones de la Terra que comparteixen un clima, una vegetació i una fauna semblants. 

Factors abiòtics i adaptacions

Els factors abiòtics determinen les característiques dels organismes que formen la biocenosi. Al llarg de l'evolució, els éssers vius han desenvolupat característiques anatòmiques, fisiològiques i etològiques (de comportament), les adaptacions, que els permeten sobreviure en el medi en què habiten. 

Els principals factors abiòtics són:

Temperatura

Pot presentar grans variacions en ambients terrestres, tant al llarg de l'any com del dia, mentre que en ambients aquàtics les variacions són molt menors.

La majoria dels organismes poden sobreviure a temperatures que van dels -2ºC als 50ºC. Per sobre o sota d'aquests límits poden morir congelats o per ràpida deshidratació o desnaturalització de les proteïnes. Però hi ha organismes adaptats a resistir temperatures molt més elevades o baixes que aquestes. Els vegetals resisteixen millor que els animals les temperatures extremes. 

Els animals homeoterms o endoterms són aquells capaços de mantenir la seva temperatura constant. Tenen estructures aïllants, com plomes, pèl o capes de greix subcutani que els permet resistir sobretot el fred.

Els animals poiquiloterms o ectoterms no són capaços de mantenir la temperatura corporal constant. Necessiten aïllar-se del fred i la calor més extrems (sovint amagant-se), o reduir el metabolisme en períodes més freds.

Aigua i humitat

Tots els éssers vius depenen de l'aigua per viure. La humitat de l'aire és el vapor d'aigua que hi ha a l'aire atmosfèric.

Reduir la mida de les fulles i endurir-les són adaptacions de les plantes quan hi ha manca d'aigua. També hi ha plantes que tenen arrels molt grans i molt desenvolupades que els permeten accedir a l'aigua situada a nivells inferiors. N'hi ha d'altres que presenten teixits d’acumulació, om els cactus.

Alguns animals tenen cobertes impermeables que els protegeixen de la pèrdua d'aigua, com l'exosquelet dels artròpodes o les escates dels rèptils; n'hi ha que presenten glàndules mucoses que els mantenen la pell humida i d'altres que produeixen una orina semisolida i excrements secs. 

Llum

La llum és la font d'energia que fa possible la fotosíntesi la quantitat de llum determina la localització dels éssers vius. En els ecosistemes aquàtics la llum penetra amb més dificultat que en els terrestres. Per això, les plantes i les algues viuen principalment a les capes superficials.

A més, la durada del dia afecta molts processos, com la floració, la vigília, el son i els costums dels animals. Hi ha animals d’hàbits nocturns o crepusculars, com el mussol, i hàbits diürns, com el linx.

Hi ha plantes amb fulles grans i planes que capten més bé la llum. N'hi ha d'altres que les orienten cap a la llum o són enfiladisses.

Els animals nocturns tenen uns ulls grans per aprofitar més bé la llum i veure-hi a les fosques .

Pressió

En els ecosistemes terrestres la pressió atmosfèrica disminueix quan augmenta l'altura i la quantitat d'oxigen també és menor. Per això, els animals que viuen en zones elevades, com les llames o els condors dels Andes o els iacs de l’Himàlaia, tenen mecanismes adaptatius per poder aprofitar més bé l'oxigen.

En els ecosistemes aquàtics, la pressió hidrostàtica augmenta a raó d’una atmosfera per cada 10 metres de profunditat. Per això, en funció de la profunditat a la que habita cada espècie s’han desenvolupat estructures diferents, com per exemple presència o absència de bufeta natatòria, en funció de la dieta, relacions tròfiques o comportament, o la presència de grans quantitats d'aigua en els teixits.

Salinitat 

La salinitat és la quantitat de sals dissoltes a l'aigua la concentració és molt elevada als mars, entre 33 I 37 g/L, i molt baixa a l'aigua dolça, menys de 5 g/L.

Animals com els salmó o l'anguila, que viuen tant al mar com els rius, mantenen la concentració de sals dels seus líquid interns constant encara que varïi la del medi. 

Hi ha animals com els equinoderms que no es poden regular la concentració interna de sal i només poden poblar aigües d'una salinitat concreta.

Límits de tolerància i factors limitants

Per a un determinat factor abiòtic, cada espècie presenta una zona de tolerància en què pot viure. Aquesta zona està definida per uns límits de tolerància, de manera que per sobre i per sota d'aquests límits, la supervivència és més difícil i la població pot desaparèixer .

Dins la zona de tolerància es defineix una zona òptima en la qual espècie creix més aviat deixa més descendència i sobreviu més bé. 

Corbes per a organismes eurioics: són corbes amples.

Corbes per a organismes estenoics: són corbes estretes.

Es pot comprovar, per tant, que l'expansió de les poblacions està limitada pels diferents factors abiòtics. A més, hi ha factors biòtics (els que es refereixen a les relacions entre els éssers vius i que veurem més endavant) que també regulen l'abundància d'aquestes poblacions. Per tant, els factors limitants són aquells factors abiòtics i biòtics que regulen el creixement i expansió d'una espècie.

Hàbitat i nínxol ecològic

Repassem els conceptes que ja van aparèixer al tema anterior:

- L'hàbitat d'un organisme és el lloc on viu, és a dir, l'àrea física on el podem trobar. Pot ser molt ampli, com un oceà, o molt limitat, com una bassa o l'estómac d'un remugant. Cada hàbitat té factors abiòtics i biòtics que el caracteritzen.

Un mateix hàbitat pot ser compartit per espècies diferents. Mirem, per exemple, l'hàbitat del bosc mediterrani:

- El nínxol ecològic, en canvi, no correspon únicament a un espai físic, sinó també a la manera en què una espècies "ocupa" aquest espai, al seu estil de vida i la seva funció dins l'ecosistema. 

Per determinar el nínxol ecològic d'una espècie és necessari saber-ne les característiques ecològiques: hàbitat, aliment, llocs de reproducció, resistència a factors del medi (abiòtics), relacions amb individus de la mateixa o diferent espècie (factors biòtics), etc.

Dues espècies diferents que conviuen en un mateix territori no poden ocupar de manera simultània el mateix nínxol ecològic, sempre han de diferir en algun aspecte; és a dir, no poden explotar els mateixos recursos, ni tenir exactament la mateixa forma de vida, si no, una desplaçaria l'altra.

 

Moltes espècies canvien de nínxol ecològic al llarg de la seva vida segons varien les seves necessitats alimentàries. Per exemple, l'eruga s'alimenta de fulles, però quan es converteix en papallona s'alimenta del nèctar de les flors. A més, una espècie pot ocupar un nínxol diferent a regions diferents, en funció de factors com l'aliment, l'espai, els competidors, etc.

 

L'origen i evolució de la vida VI

7. Hominització    

És el concepte que s'utilitza per referir-nos al procés d'evolució de l'ésser humà modern.

Aquest procés està relacionat amb un canvi en el clima de la regió rientals del continent africà:

- Fa uns 30 milions d'anys el xoc de les plaques tectòniques Indoaustraliana i Eurasiàtica va donar com a resultat l'aixecament de l'altiplà tibetà i la serralada de l'Himàlaia. 

- Tot aquest altiplà va originar canvis molt importants en els corrents d'aire atmosfèric, i va iniciar un canvi climàtic que va repercutir en altres zones del planeta, com l'Àfrica Oriental. 

- Durant aquest mateix període, el propi desplaçament i xoc de les plaques tectòniques esmentades van generar també altres moviments tel·lúrics, com el desplaçament de les plaques Aràbiga i Somalí. En aquest cas es va tractar d'una separació de plaques, generant l'inici del què avui és el Mar Roig i la gran vall del Rift, una falla divergent.

- Tant l'aparició del Rift com el canvi en la dinàmica atmosfèrica degut a l'aixecament de l'altiplà tibetà i la serralada de l'Himàlaia van originar el canvi climàtic comentat. La manca de pluja va afectar grans àrees de bosc, cosa que hi va reduir la vegetació fins que s'hi van formar les extensions de sabana que coneixem avui. I el propi Rift va generar una barrera biogeogràfica que va generar l'aïllament d'una part de la població de simis.

- Els simis que van quedar a l'oest d'aquesta falla van haver d'abandonar el seu hàbitat natural, el bosc. Poc a poc la vegetació i la humitat van anar desapareixent. Això va suposar una necessitat d'adaptació i de desplaçament dels simis cap a d'altres ecosistemes. La sabana s'anava desertitzant cada cop més, i per sobreviure calia adaptar-se. Aquests simis, doncs, van passar de ser arborícoles a ser terrestres, i fa entre 5,5 i 7 milions d'anys van donar lloc als primers homínids.

Adaptacions 

Les poblacions de primats que van aconseguir sobreviure en aquell ambient nou, entre les quals hi havia els avantpassats dels humans moderns, van evolucionar en un ambient sec i càlid. Entre les adaptacios que en van permetre la diversificació ràpida en destaca el bipedisme.

El bipedisme és la capacitat de caminar sobre dos peus sense recolzar els palmells ni els artells de les mans, i adoptant una posició erecta. Això va implicar una sèrie de modificacions estructurals que van afectar principalment l'esquelet i la musculatura.

Canvis que va comportar el bipedisme

- s'escurcen els dits dels peus i el polze està alineat amb la resta dels dits. Apareix un arc plantar pronunciat, tot plegat perquè ja no serveixen per aferrar-se a les branques, sinó per desplaçar-se sostenint tot el pes del cos.

- les extremitats posteriors (ara inferiors, cames) deixen d'estar flexionades i s'allarguen, ja que adquireixen funció exclusivament locomotora. 

- La columna vertebral pren forma de "S" per tal de mantenir bé la posició erecta i traslladar el centre de gravetat a la cintura i el pes sobre els dos peus.

- les extremitats anteriors (ara superiors, braços) deixen de tenir funció locomotora, i les mans s'especialitzen en tasques que requereixen manipulació o transport d'objectes, ja que ara queden alliberades del seu ús per al desplaçament. Amb aquesta finalitat es produeix un augment de la mida del polze, que permet agafar i dur a terme feines de precisió.

- A mesura que s'adopta la posició erecta, el foramen magnum (forat magne o occipital, l'orifici del crani per on connecta la medul·la espinal amb l'encèfal) es va desplaçar fins a la base del crani, és a dir, passa d'una posició molt posterior a una zona molt més central.

Avantatges i inconvenients del bipedisme

El bipedisme va proporcionar a la nostra espècie evidents avantatges per a la supervivència en un moment de necessitat d'adaptació. Però també va comportar problemes importants.

Avantatges

- El cos erecte queda menys exposat a la radiació del sol. A més, una superfície corporal més gran queda exposada a aire més fresc perquè es troba més allunyat del terra sobreescalfat pel sol. Aquests dos avantatges són fonamentals per a l'adaptació a llocs càlids amb poca vegetació arbòria, com la sabana.

- El fet de situar el cap a una major alçada permet visualitzar l'horitzó per damunt de la vegetació més baixa, per tal de trobar la protecció dels arbres i localitzar millor els depredadors.

- Tenir les mans lliures perquè no s'utilitzen per al desplaçament permet transportar objectes (menjar, pedres) o donar més protecció a les cries.

- La marxa bípeda, malgrat és més lenta que la quadrúpeda, consumeix menys energia, cosa que permet recórrer més distància.

Inconvenients

Com hem comentat, el bipedisme també va comportar una sèrie de trastorns:

- Hi ha una limitació en l'agilitat i es disminueix l'equilibri corporal.

- Genera grans tensions en l'estructura esquelètica, especialment en la columna vertebral i les articulacions de les extremitats inferiors. El mal d'esquena és una part del preu a pagar per tenir la posició erecta.

- Els canvis que tenen lloc a la pelvis comporten dificultats en el part, ja que s'estreny el canal pelvià o canal del part. Com a conseqüència, el part humà és més complex que en la resta de primats o animals en general, i també més dolorós.

Altres canvis produïts durant l'hominització

A més del bipedisme, una estructura que es va modificar molt durant el procés d'hominització va ser el cap:

- Augment de la capacitat cranial, des dels escassos 500 cm3 dels Australopithecus fins als 1450 cm3 dels humans anatòmicament moderns.

- Desenvolupament de l'encèfal i de les habilitats cognitives. Les eines més antigues que es coneixen fabricades per un homínid es van trobar a Kenya i tenen una antiguitat de 3,3 milions d'anys.

- Modificacions del crani, com l'aplatament de la cara, que el va fer més lleuger i va permetre que n'augmentés la mida sense incrementar-ne gaire el pes.

- Transformació de la dentició. Es passa de 36 peces a 32, que són les que tenim avui, a causa de l'aplatament del rostre que hem vist abans; recordem també els queixals del seny actuals, considerats òrgans vestigials, amb la qual cosa la tendència evolutiva va cap a la disminució en 4 peces menys, és a dir, 28. Els ullals minven i s'assemblen més a les altres dents degut al canvi de dieta. A més, les dents que serveixen per mastegar (premolars i molars) disminueixen de mida progressivament. Aquests canvis provoquen una reducció de la mida de la cara i de les mandíbules.

Filgènia homínids

Com s'ha dit abans, sembla ser que l'origen dels homínids bípedes va tenir lloc a l'Àfrica fa entre 5,5 i 7 Ma. La primera sortida confirmada d'homínids bípedes fora d'Àfrica es remunta a fa més d'1,8 Ma. Les restes més antigues d'umans anatòmicament moderns, Homo sapiens, tenen 195.000 anys, i procedeixen d'una regió d'Etiòpia. Posteriorment la nostra espècie va abandonar Àfrica i va colonitzar tots els continents, substituint altres homínids bípedes que ja s'hi havien establert o, fins i tot, segons alguns científics, s'hi van hibridar.

L'origen i evolució de la vida V

 6. La formació d'una espècie

Una espècie és un grup d'individus amb característiques semblants, capaços d'encreuar-se entre si i produir descendència fèrtil.

Pot passar que dues espècies diferents puguin encreuar-se entre si, però la seva descendència serà estèril. És el cas del mul, un híbrid entre l'euga (cavall) i l'ase.

L'especiació

L'especiació és el procés de formació de noves espècies a partir d'un avantpassat comú per mitjà de l'acumulació de petits canvis. Recordem que aquests canvis són deguts a dues fonts intrínseques de variabilitat:

- Les mutacions genètiques: són canvis en el material genètic d'un ésser viu. Constitueixen la matèria prima de l'evolució  perquè proporcionen nous gens que originen les diferències entre individus. Es produeixen sempre a l'atzar i independentment de si causen un benefici o un perjudici sobre l'organisme i la seva descendència.

- La recombinació genètica: exclusiva de la reproducció sexual, la recombinació dels gens es dona durant la meiosi, a partir de l'entrecreuament dels cromosomes homòlegs i la seva distribució a l'atzar que produeix una gran varietat de gàmetes diferents, gran font de variabilitat. Després, en la fecundació també es dona una unió a l'atzar , cosa que permet l'obtenció d'una quantitat enorme de genotips possibles.

Perquè hi hagi especiació, a més, cal que es produeixi aïllament genètic, és a dir, una interrupció en l'intercanvi de gens entre dues poblacions de la mateixa espècie. Quan dues poblacions de la mateixa espècie queden aïllades, exposades a condicions ambientals diferents i sotmeses a experiències diferents, segueixen una evolució diferent.

L'especiació es pot produir de dues maneres:

1. - Dues poblacions de la mateixa espècies queden separades geogràficament per alguna barrera, com vam veure en el cas del flux genètic o la deriva genètica (especiació al·lopàtrica, com després veurem).

2. - Dues poblacions de la mateixa espècies no estan separades geogràficament però s'hi donen mecanismes d'aïllament que eviten l'intercanvi  de gens entre les poblacions. Tot i que inicialment aquest aïllament és de tipus ecològic o etològic (comportament), a mesura que s'allarga en el temps aquesta separació s'acaba produint un aïllament reproductiu. Els mecanismes principals d'aquest tipus d'aïllament sorgeixen quan les poblacions viuen en hàbitats diferents o en diferents moments del dia. Els classifiquem segons diversos factors:

A. Si s'evita l'aparellament: 

- Aïllament estacional: dues poblacions que viuen al mateix lloc però que presenten períodes reproductius en diferents moments temporals.

- Aïllament conductual: dues poblacions que desenvolupen rituals de festeig ("cortejo") o conductes d'aparellament diferents.

- Aïllament ecològic: dues poblacions en un mateix hàbitat però especialitzades en nínxols ecològics* diferents.

- Aïllament mecànic: dues poblacions amb diferències morfològiques dels òrgans reproductors, de manera que no són complementàries.

* Nínxol ecològic: és la funció que desenvolupa una espècie dins de l'ecosistema. En definitiva, és el conjunt d' interrelacions que un organisme manté amb el seu medi físic i amb organismes veïns, el qual deriva en la posició que ocupa dins l'ecosistema.

B. Si s'impedeix la fecundació: quan es desenvolupen incompatibilitats entre gàmetes que impedeixen la formació del zigot. També es coneix com a aïllament gamètic.

C. Si es redueix la viabilitat dels híbrids: quan els híbrids tenen poques probabilitats de tenir descendència fèrtil o no en tenen cap.

Segons els dos factors principals que produeixen l'especiació (aïllament geogràfic i reproductiu) trobem tres tipus d'especiació: 

- Al·lopàtrica: fruit de l'aïllament geogràfic.

- Parapàtrica: canvis adaptatius en certs individus d'una mateixa població, donant-se una reproducció selectiva entre individus de la població inicial que trien aparellar-se amb els individus que han adquirit aquesta nova capacitat d'adaptació.

- Simpàtrica: canvis en certs comportaments d'alguns individus, que fan que es deixin de reproduir amb la resta d'individus de la mateixa població i es comencin a reproduir només entre sí.

Fenòmens d'extinció i radiació adaptativa

Gràcies al registre fòssil s'ha pogut comprovar que al llarg de la història de l'evolució s'han donat al menys cinc fenòmens d'extinció massiva de espècies. No és possible saber amb seguretat quines van ser les causes, encara que tot fa pensar que estan relacionades amb successos catastròfics. El que sí que està confirmat és que tot seguit van tenir lloc importants fenòmens d'especiació ràpida. 

L'extinció de moltes espècies deixa nínxols ecològics buits als ecosistemes. Les espècies amb capacitat de prosperar i reproduir-se en les noves condicions augmenten en nombre i assagen noves formes d’obtenir aliment, amb la qual cosa acaben ocupant aquests nínxols buits. Això té com a conseqüència un augment de la velocitat del canvi evolutiu coneguda com a radiació adaptativa.