Para comprender los alimentos y los sistemas alimentarios actuales es necesario comprender los procesos naturales básicos que son fundamentales para la agricultura. Si ya has estudiado los capítulos de Sanando la Tierra sobre Biodiversidad, Recursos Naturales, Energía, y Agua tienes información fundamental para comprender la alimentación y la agricultura. En el siguiente estudio nos basamos en este conocimiento, incluyendo más detalles sobre los alimentos desde la perspectiva de las ciencias ambientales.

La estructura de las redes alimenticias

Es importante reconocer que la producción de alimentos está íntimamente conectada a los procesos ecológicos que han evolucionado en el mundo natural durante millones de años. En cualquier ecosistema, la energía calórica (energía obtenida de los alimentos y utilizada para el metabolismo celular o el trabajo) se transfiere de las plantas a los herbívoros y luego a los carnívoros y omnívoros a través de las numerosas interrelaciones de alimentación de las redes alimentarias.

Redes alimentarias terrestres

Recapitulando

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Revisa información más detallada sobre los niveles tróficos en el capítulo de energía.

Los organismos en el mundo natural se clasifican en niveles tróficos. El primer nivel trófico está compuesto por los productores primarios. Éstos son organismos como las plantas que pueden producir su propia energía alimentaria a través de la fotosíntesis y que sirven como alimento a otros organismos. Los productores primarios son la base de la mayoría de las redes alimenticias. Los consumidores primarios (herbívoros) son organismos cuya dieta principal se basa en productores primarios. Los consumidores secundarios y terciarios son organismos que se alimentan de los animales que a su vez se alimentan de plantas (carnívoros) o comen plantas y animales (omnívoros). La Figura 2 a continuación muestra las complejas interrelaciones entre los niveles tróficos en un bioma de la sabana africana terrestre.

Dado que los productores primarios son en última instancia responsables de alimentar a todos los demás organismos en la red alimentaria, la cantidad de biomasa producida por las plantas determina la cantidad de organismos de mayor nivel trófico que pueden existir en un ecosistema. Los ecosistemas terrestres más productivos con las mayores capacidades de carga tienen en general un suelo rico y fértil, abundantes lluvias y temperaturas moderadamente cálidas durante todo el año. Estas redes alimentarias pueden soportar cinco niveles tróficos y generalmente ocurren en o cerca del ecuador.

Food web with the lion as the tertiary consumer. The lion is connected to the secondary consumers, primary consumers, then primary producers respectively. Some animals included in the diagram are giraffes, cheetahs, gorillas, zebras, as well as others.
Figura 2. Una representación parcial de una red alimentaria de bioma de sabana. Las flechas designan la dirección del flujo de energía alimentaria entre los niveles tróficos. La imagen no representa el nivel por debajo de los productores primarios. Este es un nivel de gran importancia compuesto por los detritívoros o descomponedores, organismos e insectos microscópicos cuyos procesos vitales reciclan elementos clave como el carbono, el nitrógeno y el fósforo en el suelo. 1

Los humanos somos consumidores terciarios y, como todos los consumidores terciarios, dependemos en última instancia de las plantas para nuestro sustento y supervivencia. Dependemos de los minerales secuestrados en el suelo, así como de los carbohidratos, grasas y proteínas producidos por las plantas y transferidos a través de los niveles tróficos. Como los aceites vegetales, los carbohidratos y las proteínas son consumidos por los animales, se sintetizan metabólicamente en grasas y proteínas animales, los cuales son necesarios para una dieta humana completa.

Redes de alimentos marinos

Marine food web in which a shark is at the top representing the quaternary consumer. The shark is connected to the tertiary consumers, secondary consumers, primary consumers, and primary producers respectively showing the marine food web.
Figura 3. Ejemplo de una red alimentaria marina. 2

Las redes alimentarias en el océano comparten muchas similitudes con las redes alimentarias terrestres, pero en el agua los productores primarios no son plantas grandes, sino algas y cianobacterias flotantes muy pequeñas (típicamente unicelulares). Se les conoce a todas como fitoplancton. Debido a que los productores primarios en los ecosistemas marinos son tan pequeños, generalmente son comidos por animales flotantes de tamaño similar llamados zooplancton. Este zoopláncton es luego consumido por peces larvarios o zooplancton más grandes, que a su vez son consumidos por peces pequeños. Los peces pequeños son comidos por peces más grandes, focas o aves marinas. Para cuando la energía originalmente capturada por el fitoplancton ha alcanzado a los animales grandes, ha viajado a través de muchos niveles tróficos (Figura 3). Excepciones interesantes a esto son las ballenas barbadas y los tiburones ballena. A pesar de ser algunos de los animales más grandes de la tierra, estos animales marinos se alimentan casi por completo de fitoplancton microscópico, zooplancton, krill y peces pequeños.

Photo of coral
Figura 4. Arrecife de coral. 3

Los corales también contienen algas y forman la base de los ecosistemas de arrecifes de coral (Figura 4). Los arrecifes de coral, que se analizaron en el Capítulo de Biodiversidad, se encuentran en aguas poco profundas y relativamente cálidas, y son compatibles con algunas de las comunidades de peces y animales marinos más diversas de la Tierra. Los arrecifes también actúan como criaderos de algunas especies de peces que pasan su vida adulta en mar abierto. Aunque la mayoría de los peces disponibles para el consumo humano son especies de mar abierto capturadas por operaciones de pesca a gran escala, las especies de arrecifes de coral cerca de la costa accesible para los pescadores locales son vitales para la supervivencia de muchas comunidades costeras en todo el mundo.

Fotosíntesis y ciclos biogeoquímicos

Diagram of Photosynthesis. Sun in the top lefthand corner with rays shining onto a flower. Leaves show oxygen leaving and carbon dioxide entering.
Figure 5: Plant photosynthesis requires sunlight, CO2 and water, and produces O2 and glucose. 4

Las plantas y el fitoplancton requieren energía solar, lo cual se analizó en detalle en el Capítulo de Energía. A través del proceso de fotosíntesis, la energía solar es capturada y convertida en energía química en forma de glucosa, que es utilizada por plantas, algas y cianobacterias para sintetizar moléculas orgánicas más complejas (Figura 5). A través de este proceso, la energía de la luz solar se convierte en energía calórica, que luego se pasa a los organismos superiores en las redes alimentarias terrestres y marinas.

Aunque las algas individuales y otros productores primarios marinos son típicamente unicelulares y microscópicos, son tantos los que capturan la energía del sol que pueden soportar una red alimentaria que contiene ballenas, tiburones, peces y otros innumerables otros animales que viven en los océanos.

La transferencia de energía a través de la red alimentaria es unidireccional, se disipa a medida que se transfiere y el sol sirve como fuente de energía. Cuando los productores primarios reciben esta energía, la almacenan en los enlaces entre los átomos. Cuando estos enlaces se rompen durante la digestión o la respiración, se libera la energía que mantiene unidos los átomos de la molécula. La mayor parte de la energía almacenada de un productor primario se pierde como calor metabólico cuando pasa de un nivel trófico al siguiente, como cuando un consumidor come una planta como alimento.

La mayor parte de la energía transferida a los seres vivos a través de los alimentos se usa para mantener el funcionamiento celular básico que impulsa el movimiento. En promedio, sólo 10% de la energía de los alimentos se usa para construir nuevos tejidos para el crecimiento y la reproducción. El 90% de la energía se pierde como calor metabólico a través de cada nivel trófico sucesivo. Debido al flujo unidireccional de energía, la mayoría de las pirámides tróficas no pueden sostener más de 4-5 niveles. Los principales consumidores en cualquier red alimentaria son pocos y comprenden la biomasa más baja (cantidad total de masa de todos los organismos) de cualquier nivel trófico (Figuras 2 y 6).

A tree showing its roots with a deer underneath the branches and leaves. Arrows pointing in directions of nutrient flows.
Figura 6. Típico ciclo de nutrientes. 5

A diferencia de la energía, los elementos químicos y los nutrientes no se disipan y no son unidireccionales en su paso a través de las redes alimentarias. En cambio, se desplazan por las redes alimenticias. Los nutrientes son elementos como el nitrógeno, el fósforo y el potasio que son esenciales para la vida porque constituyen los componentes básicos de las moléculas orgánicas, las mismas que forman los componentes básicos de los organismos. Los nutrientes son necesarios tanto para las plantas como para los animales. Por lo general ingresan a las redes alimentarias terrestres cuando las plantas las absorben del suelo y la atmósfera, y en las redes alimentarias marinas y acuáticas cuando las algas las absorben del agua.

Todos los nutrientes pasan por los diferentes niveles en una red alimentaria y se convierten en diferentes formas químicas, pero nunca se pierden ni se disipan por completo. La Figura 6 representa un ciclo típico de nutrientes terrestres. Si bien muchos elementos, como el fósforo y el sodio, sólo se ciclan localmente (lo que significa que permanecen dentro de los niveles tróficos de un ecosistema durante largos períodos de tiempo), otros elementos que se convierten fácilmente en formas gaseosas, como el carbono y nitrógeno, se ciclan más ampliamente a escala mundial.

Recapitulando

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Puedes leer más sobre los ciclos biogeoquímicos del fósforo, carbono y nitrógeno en el capítulo de recursos naturales.

Los elementos nutricionales que se necesitan en altas concentraciones para el crecimiento de plantas y animales se denominan macronutrientes. Los elementos que se necesitan en bajas concentraciones se denominan micronutrientes. Esta es la lista de macronutrientes es: nitrógeno (N), fósforo (P), potasio (K), calcio (Ca), azufre (S), magnesio (Mg), carbono (C), oxígeno (O) e hidrógeno (H). La lista de micronutrientes (o minerales traza) es: hierro (Fe), boro (B), cloro (Cl), manganeso (Mn), zinc (Zn), cobre (Cu), molibdeno (Mo) y níquel (Ni).

Las plantas obtienen la mayoría de los nutrientes de los minerales presentes en el suelo. A lo largo de una larga escala de tiempo geológica larga, los minerales se erosionan o desprenden de las rocas debido a la exposición al viento y al agua y se filtran a los suelos donde son absorbidos por las plantas o arrastrados por los ríos (como escorrentía) a los océanos, donde alimentarán las algas (Figura 7).

Aerial image of an island. Land, ocean, and some sand is seen.
Figura 7. En esta imagen aérea de la bahía de Kuheia en la isla de Kahoolawe en Hawái, se puede ver la erosión escapando de la isla hacia el océano. Los nutrientes y minerales que forman parte de esa escorrentía entrarán en la red alimentaria marina como alimento para las algas. 6

Suelo

El suelo es el sustrato fundamental que soporta todas las redes alimenticias terrestres y se define como la mezcla interactiva de minerales, materia orgánica, agua, gases y los organismos vivos que comprenden la pedósfera, la capa más externa de la Tierra. Además de crear un sustrato físico para soportar las plantas de enraizamiento y un hábitat para los organismos del suelo, el suelo también funciona como un medio para el almacenamiento de agua y un sistema de reciclaje de nutrientes y desechos orgánicos.

Redes y organismos alimentarios del suelo

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Lee aquí para obtener más información sobre los organismos que viven en el suelo, incluidas bacterias, hongos, artrópodos (como arañas y ácaros), lombrices de tierra y vertebrados (como marmotas y salamandras).

Cuando muchas personas piensan en el suelo, a menudo lo equiparan con tierra: pequeños pedazos de rocas y minerales desgastados. Las partículas de tierra son un componente vital del suelo, pero el suelo tiene mucho más que tierra. El suelo es un sustrato vivo que comparte muchas similitudes con los ecosistemas aéreos. Así como hay árboles, arbustos, plantas, mamíferos, aves, artrópodos, y microorganismos que forman comunidades vivas sobre el suelo, hay innumerables organismos vivos micro y macro que viven entre las partículas de roca triturada y contribuyen a la diferencia entre la tierra y el suelo.

Los organismos del suelo varían desde pequeñas bacterias y hongos micorrícicos de gran extensión hasta insectos, gusanos, salamandras e incluso mamíferos muy pequeños. Juntos forman un ecosistema complejo que es esencial para mantener la salud del suelo y para reciclar los nutrientes y la energía que sustentan los ecosistemas terrestres. Esta comunidad de suelo subterráneo influye directamente en las plantas que proporcionan la base de las redes alimenticias subterráneas. 

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Mira este video sobre el hongo micorrícico que se une con las raíces de las plantas para aumentar su superficie de absorción.

Cuando las plantas y los animales mueren, su descomposición depende de los organismos que viven en el suelo. A través del proceso de descomposición los nutrientes que se unen a las moléculas orgánicas en forma de tejido vegetal, animal, fúngico o bacteriano se mineralizan en formas inorgánicos que pueden ser disueltas en agua y absorbidas por las plantas. De esta forma, las plantas y animales descompuestos vuelven a entrar en la red alimentaria en un sistema perfecto de reciclaje natural.

Los suelos se clasifican por perfiles de suelo, propiedades de sus partículas, tipos de suelo y formaciones de suelo. Cada uno de estos se describe a continuación. 

Perfil del suelo

Drawing of different layers of soil. Top layer is grass, then there is the organic layer, followed by the surface, subsoil, substratum, then bedrock. Subsoil is the thickest layer according to this drawing. Roots go through this layer.
Figura 8. Perfil del suelo. 7

Un perfil de suelo es una sección vertical de suelo medida desde la superficie del suelo hasta la roca madre subyacente. Los perfiles de suelo contienen horizontes, que son bandas o capas horizontales características, visibles cuando el suelo se ve en sección transversal. (Ver Figuras 8 y 9).

Diferentes suelos tienen diferentes perfiles dependiendo de cómo, cuándo y dónde se formaron. Las dos capas superiores del suelo, conocidas como el horizonte O y el horizonte A, son las más importantes para el crecimiento de las plantas porque son accesibles para la gama más amplia de raíces y contienen la mayor cantidad de nutrientes. Juntas, estas capas se conocen como suelo superior. Un suelo superior profundo puede tardar decenas de miles de años en desarrollarse porque muchos de sus nutrientes provienen de plantas y animales en descomposición.

Los suelos de las regiones templadas son diferentes de los de los trópicos (Figura 9). Muchos suelos tropicales han sido altamente degradados con el tiempo y han estado expuestos a grandes cantidades de lluvia y altas tasas de descomposición debido a condiciones cálidas y húmedas constantes. Estos suelos pierden gran parte de su capacidad de unirse químicamente con nutrientes. Como resultado, los nutrientes son rápidamente lixiviados y absorbidos por la biomasa vegetal masiva que soportan estos suelos. Los suelos tropicales suelen tener poco suelo superficial acumulado. En contraste, los pastizales tienen un suelo superior profundo debido a las largas raíces de sus pastos y sus altas tasas de rotación.

5 different photos of soil profiles to compare the depth of each layer of soils depending on the ecosystem
Figura 9. Perfiles de suelo de diferentes ecosistemas. 8

A pesar de la poca profundidad comparativa de su suelo tropical, los ecosistemas tropicales (especialmente los bosques tropicales) se encuentran entre los ecosistemas terrestres más productivos de la Tierra. Los árboles tropicales y las plantas más pequeñas mantienen la productividad al absorber rápidamente los nutrientes liberados de las plantas y animales en descomposición. De esta forma, retienen la mayoría de los nutrientes del sistema en su biomasa aérea.

Propiedades del suelo

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Lee este artículo para obtener una descripción de las propiedades del suelo.

Los componentes físicos y químicos del suelo tienen una gran influencia en las propiedades del suelo, determinando la cantidad y los tipos de cultivos que producirán los agricultores. Estas propiedades incluyen la textura del suelo, la estructura del suelo, la composición química, el pH del suelo, la salinidad, la capacidad de retención de humedad y sus organismos vivos. Los siguientes párrafos describen la composición, formación y fertilidad de los suelos en términos generales. Para una investigación más detallada de las propiedades del suelo, consulta el artículo en Mirar en detalle.

A circle graph that shows the composition of fertile top-soil.
Figura 10. Componentes del suelo fértil que cumplen con los requisitos de crecimiento de la mayoría de las plantas terrestres.

El suelo superior juega un papel importante en la determinación de la productividad de un sitio agrícola. Para lograr un crecimiento óptimo, una planta generalmente requiere un suelo superior que conste de 45% de minerales, 5% de materia orgánica (o humus), 25% de agua y 25% de aire (Figura 10). La porción de materia orgánica se puede subdividir en 80% de humus, 10% de raíces y 10% de organismos vivos. Esta distribución proporciona la combinación óptima de nutrientes, drenaje y aireación para el crecimiento de las plantas.

Los suelos compactados están altamente condensados, lo que significa que hay pocos espacios intersticiales para el aire y el agua y el humus está muy comprimido. Los suelos se compactan cuando la maquinaria pesada se utiliza sobre suelos agrícolas o cuando se usan máquinas compactadoras para construir caminos o cimientos. Como resultado de dicha compactación, la composición del suelo se modifica y es menos propicia para el crecimiento de las plantas (Figura 11).

Formación de suelo y tipos de suelo

Percentages of composition between undisturbed soil and compacted soil. Compacted soil has 74% mineral matter as compared to 45% in undisturbed soil.
Figura 11. Componentes de suelos no perturbados y compactados. Los suelos no perturbados contienen las porciones óptimas de minerales, aire, agua y materia orgánica para el crecimiento de las plantas. 9

Los procesos de formación del suelo determinan los tipos de suelo y sus perfiles. Estos procesos varían de un lugar a otro y dependen de la historia geológica, el clima y los patrones de uso de la tierra de una región. Los factores que contribuyen a la formación del suelo incluyen el material original (el lecho de roca del que se originó el suelo), el terreno de la región, la cantidad de lluvia, el clima, el tipo de microorganismos presentes, la cantidad y el tipo de vegetación presente, el tiempo e influencias humanas. Estos procesos actúan en conjunto con factores químicos, biológicos y físicos para impactar la formación local del suelo. En condiciones cálidas y húmedas, los suelos pueden formarse rápidamente. En condiciones frías o secas, los suelos pueden tardar cientos de miles de años en formarse. Los científicos del suelo han clasificado más de mil tipos diferentes de suelo, agrupados en uno de los 12 tipos básicos de suelo, que se describen en este cuadro.

Fertilidad del suelo

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Lee sobre cómo los agricultores cambian el pH de sus suelos para mejorar el crecimiento de las plantas.

La fertilidad del suelo se refiere a las propiedades químicas y físicas del suelo que le confieren su capacidad para promover el crecimiento estable de las plantas. Existe una amplia gama de fertilidad en los suelos de todo el mundo, desde suelos desérticos infértiles hasta los pastizales tropicales más ricos y las llanuras aluviales de los ríos. Los suelos son más o menos fértiles dependiendo de su contenido de macronutrientes y micronutrientes, su capacidad de intercambio de cationes, su pH, su capacidad de absorber y drenar el agua, y su contenido de materia orgánica.

Los suelos fértiles tienden a contener una gran cantidad de fósforo, potasio, azufre, calcio, magnesio y hierro. Estos suelos soportan una mayor variedad de especies de plantas que los suelos infértiles. Debido a que las plantas forman la base de las redes alimentarias terrestres, y dado que diferentes insectos, mamíferos y aves usan diferentes especies de plantas para alimentarse, las variaciones en la fertilidad del suelo pueden afectar a toda la comunidad natural de una región.

Preguntas para considerar

  • Podríamos pensar que llamar a un alimento “nutritivo” significa que sabe bien. ¿Por qué es esto incorrecto? ¿Qué hace que un alimento sea “nutritivo”?
  • ¿Sería más eficiente, en términos de transferencia de energía y nutrientes en la red alimentaria, si los humanos fuéramos herbívoros en lugar de omnívoros?
  • ¿Qué tipos de suelos tienes en tu región? Estos son fértiles para producir alimentos?