2011-2 Aula 1 Introdução ao Estudo dos Ecossistemas

P f D Vi i i F F j llProf. Dr. Vinicius F FarjallaDepartamento de Ecologia ‐ IB

Universidade Federal do Rio de Janeiro

HistóricoHistórico. Um Físico‐Químico e um Biólogo

Alfred J. Lotka

Arthur G. Tansley (com Cowles)

Fotos: Cowles & Tansley: niche canada org;

Prof. Vinicius Farjalla – Depto Ecologia / UFRJ

Cowles & Tansley: niche-canada.org; Lotka: diglib.princeton.edu

Histórico. Hutchinson e Lindemann

Histórico

Raymond Lindemann

Lindemann RL. (1942) The trophic‐dynamic aspect of

l E l 23 399 418Foto R. Lindeman: minnesotaalummini.org

ecology. Ecology 23: 399‐418.


HistóricoHistóricoEugene Odum

Odum & Barrett, 2007

Foto: people.wku.edu


O que é “Ecossistema”?O que é Ecossistema ?Eugene P. Odum

“qualquer unidade que abranja todos os organismos vivos

Eugene P. Odum

todos os organismos vivos (comunidade biótica) de uma dada área, interagindo com o , g

ambiente físico de tal forma que um haja um fluxo de energia e uma ciclagem de materiais entre as partes vivas e não‐vivas.”

(Odum & Barrett 2007)(Odum & Barrett 2007)

F t l k d


Foto: people.wku.edu

Mais um conceito em Ecologia?Mais um conceito em Ecologia?. Quais são as propriedades emergentes*?p p g

* Propriedades, características que surgem apenas quanto todas as partes de d ã l d j


um todo são colocadas juntas.

Propriedades EmergentesPropriedades Emergentes. Fluxo de energia e ciclagem de

t i i tmateriais entre os componentesvivos e não‐vivos e nãovivos.

Energia

Nutrientes


Ricklefs 2007 – A Economia da Natureza – pag.138

Níveis de OrganizaçãoNíveis de Organização

célula ecossistema

tecido comunidade

indivíduopopulação


Estrutura de EcossistemasEstrutura de Ecossistemas. Fatores controladores independentes;. Fatores controladores independentes;. Vias de entrada e saída de energia e matéria;. Os componentes bióticos (organismos);p ( g );. Os componentes abióticos (água, ar, solo, luz, nutrientes););. O fluxo de energia entre os componentes;. A ciclagem de matéria entre os componentes;g p ;


Fatores Controladores IndependentesFatores Controladores Independentes. Relacionados principalmente aos grandes biomas;

. Bioma é uma macro‐região caracterizada pelo

d dagrupamento de tipos de vegetação contíguos e identificáveis com condiçõesidentificáveis, com condições geoclimáticas similares e história compartilhada de pmudanças, o que resulta em uma diversidade biológica ó i

Adaptado de Chapin III et al. (2002)

própria.


Exemplo – Costa do ÁrticoExemplo Costa do Ártico


Entradas e SaídasEntradas e Saídas. Por definição, todos os ecossistemas são abertos, isto é . Por definição, todos os ecossistemas são abertos, isto épossuem vias de entrada e saída de energia e matéria.


Os Componentes BióticosOs Componentes Bióticos

pt)

eblog.com.

tureliu

s.we

nexões

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Escher Co

Mau

ritus


Os Componentes BióticosOs Componentes Bióticos. Pouca importância na taxomonia (ou quem é quem) e . Pouca importância na taxomonia (ou quem é quem) egrande importância na funcionalidade (ou quem faz o quê).q ). Organismos organizados em guildas tróficas;. Principais guildas: produtores primários, consumidores p g p p ,e decompositores.


Produtores PrimáriosProdutores Primários. Organismos autotróficos que produzem material . Organismos autotróficos que produ em materialorgânico a partir de material inorgânico;


Ricklefs 2007 – A Economia da Natureza – pag.120

Produtores Secundários ouProdutores Secundários ouConsumidoresConsumidores. Organismos heterotróficos que produzem material orgânico a partir da ingestão de outros organismos;orgânico a partir da ingestão de outros organismos;


DecompositoresDecompositores. Organismos heterotróficos que produzem material . Organismos heterotróficos que produ em materialcelular a partir da ingestão de matéria orgânica morta, particulada ou dissolvida. Remineralizadores.p


Relações inter‐guildasRelações inter‐guildas. Necessárias para o fluxo de . Necessárias para o fluxo deenergia e ciclagem de matéria.. Os produtores secundários são necessários???. Podem estar separadas espacialmente (p.ex. coluna p (pd’água e sedimento de um lago) ou temporalmente g ) p(p.ex. a floresta e sua serrapilheira). Odum, 1983p )


Relações inter‐guildasRelações inter‐guildasComo o foco dos estudos de ecossistemas é no fluxo. Como o foco dos estudos de ecossistemas é no fluxo de energia e ciclagem de matéria, os PROCESSOS DE PRODUÇÃO E DECOMPOSIÇÃO são mais relevantes ePRODUÇÃO E DECOMPOSIÇÃO são mais relevantes e estudados que a caracterização dos grupos que os realizamrealizam.


Escalas dos EstudosEscalas dos Estudos. ESPACIAL. SPACIA

Macro‐regional (bioma)

100‐1000 kmRegional10‐100 km

Local0,1‐10 km

Sub‐Local(Compartimento)1 1001 cm ‐ 100 m


Escalas dos EstudosEscalas dos Estudos. Fronteiras entre Ecossistemas. Fronteiras entre cossistemas


Escalas dos EstudosEscalas dos Estudos. TEMPORAL. T MPORA

. Segundos a dias: variação da produção primária de uma cultura em função da passagem de uma nuvemcultura em função da passagem de uma nuvem (segundos) ou de uma frente fria (dias);Entre estações do ano: variação da taxas de. Entre estações do ano: variação da taxas de decomposição de uma floresta em função das estações seca e chuvosa;seca e chuvosa;. Entre anos: variação da taxas de decomposição de uma floresta em função de eventos de El Niño e La Niñafloresta em função de eventos de El Niño e La Niña.. Em milhares de anos: taxa de acúmulo de carbono no solo em função do eventos de glaciação e inter glaciaçãosolo em função do eventos de glaciação e inter‐glaciação.


O que é estudado?O que é estudado?. Concentrações: de um determinado elemento em uma reação química, organismo, ecossistema ou reservatório;. Conteúdo: de energia em determinado organismo, guildaou ecossistema;. Taxas e processos: de transferência ou armazenamento de energia ou elementos entre organismos, guildas e ecossistemas; . Guildas e relações tróficas entre guildas: transferência e estocagem de matéria e elementos entre organismos.


Fluxo de Energia e Ciclagem de MatériaFluxo de Energia e Ciclagem de Matéria. Por que fluxo da energia e ciclagem da matéria?

Refletida

Terra

Entrada Transformada Estocada

Terra

Adaptada de Odum & Barrett (2007) pag 106

Calor


Adaptada de Odum & Barrett (2007), pag. 106

Fluxo de Energia e Ciclagem de MatériaFluxo de Energia e Ciclagem de Matéria. Por que fluxo da energia e ciclagem da matéria?

Biota

C, N, P, S, Fe, etc.

EstoquesEstoques


Fluxo de Energia e Ciclagem de MatériaFluxo de Energia e Ciclagem de Matéria

. Baseados em Leis da Física e da Físico‐Química Q

. 1ª Lei da termodinâmica ou lei da conservação da energia – a energia pode ser transformada de um tipo em outro mas nãoenergia pode ser transformada de um tipo em outro, mas não pode ser criada nem destruída.

2a Lei da termodinâmica ou lei da entropia nenhum processo. 2a Lei da termodinâmica ou lei da entropia – nenhum processo que implique em uma transformação de energia ocorrerá espontaneamente, a menos que haja uma degradação da energia p , q j g ç gde uma forma concentrada para uma mais dispersa.

Lei de conservação das massas – Ou Lei de Lavoisier postula. Lei de conservação das massas Ou Lei de Lavoisier postula que numa reação química não ocorre alteração na massa do sistema, isto é, a soma das massas dos reagentes deve ser igual a


soma das massas dos produtos.

Fluxo de Energia na TerraFluxo de Energia na TerraA luz solar não é a única. A luz solar não é a únicafonte de energiamas é a principal;principal;. Onde a “energia terrestre” é particularmente relevante?;

. Baixa “Eficiência” do Sistema;;

Odum, 1983


Assimilação de Energia pela BiotaAssimilação de Energia pela BiotaRefletida

O ModeloTERRAse ajusta

aos Entrada Transformada Estocadaaosorganismos

TERRA

g?

Convertidaem Calor


em CalorAdaptada de Odum & Barrett (2007), pag. 106

Assimilação de Energia pela BiotaCalor

Assimilação de Energia pela Biota

Organismo


Organismo

RespiraçãoExcreção


Excreção

AutotrofiaAutotrofia

É a transformação de carbono inorgânico (CO2) e água em matéria orgânica (açúcares) e

i ê i (O )oxigênio (O2).


AutotrofiaAutotrofia. Dois processos principais:

1) Fotossíntese: é a transformação de carbono inorgânico (CO2) e água em matéria orgânica (açúcares) einorgânico (CO2) e água em matéria orgânica (açúcares) e oxigênio (O2) catalisada pela energia solar;Necessidade de clorofila ou bacterioclorofila ‐. Necessidade de clorofila ou bacterioclorofila ‐fotoautotróficos.

CO2 + H2O CH2O + O2Energia Solar


AutotrofiaAutotrofia2) Quimiossíntese: é a transformação de carbono ) Quimiossíntese: é a transformação de carbonoinorgânico (CO2) e água em matéria orgânica (açúcares) e oxigênio (O2) catalisada pela energia química. Tal energia g ( 2) p g q gquímica é proveniente da oxidação de compostos inorgânicos (HS‐, NH4) – quimioautotróficos.g ( , 4) q

Nitrificação

Energia

NH4+ + O2 NO2

‐ + H2 + H2O

CO2 + H2O CH2O + O2

Energia


NitrificaçãoNitrificaçãoNitrificação. A amônia possivelmente liberada pelo processo de decomposiçãopode ser transformada em NO3

‐ pelo processo de nitrificação, com h d iganho de energia.

. Ocorre em duas etapas: 1) transformação do NH4 em NO2‐ e 2)

transformação do NO ‐ em NO ‐ com diferentes grupos bacterianostransformação do NO2 em NO3 com diferentes grupos bacterianosatuando em cada etapa (Nitrossomonas e Nitrobacter, respectivamente);p );

. Regulado pela presença e concentração de O2 e NH4;

. Principal processo produtor de NO3‐ nos solos/sedimentos da. Principal processo produtor de NO3 nos solos/sedimentos da

maioria dos ecossistemas.


QuimioautotrofiaQuimioautotrofiaFonnte: m

ail.c

Fonte: noc.soton.ac.uk

colonial.nnet


ResumindoResumindo…

A t t fi (f t i i ) ãAutotrofia (foto ou quimio) são processos ecossistêmicosprocessos ecossistêmicos

caracterizados pela formação de compostos orgânicos a partir de CO2 e H O utilizando‐se a energia luminosaH2O utilizando‐se a energia luminosa

(foto‐) ou energia química.(não envolve a decomposição de compostos orgânicos)


HeterotrofiaHeterotrofia

É a transformação do carbono orgânico para geração de

i l lenergia celular.


HeterotrofiaHeterotrofia. Três processos principais: 1) Respiração aeróbica: é a transformação de carbono orgânico e oxigênio (O ) em carbono inorgânico (CO ) e

. Três processos principais:

orgânico e oxigênio (O2) em carbono inorgânico (CO2) e água;Realizada pela maioria dos organismos inclusive foto. Realizada pela maioria dos organismos, inclusive foto‐autotróficos, e é totalmente dependente da presença de oxigêniode oxigênio.

CH O + O CO + H OCH2O + O2 CO2 + H2O


HeterotrofiaHeterotrofia2) Respiração anaeróbica: é a transformação de carbono ) Respiração anaeróbica: é a transformação de carbonoorgânico e um aceptor de elétrons (NO3

‐,Mn+4, Fe+3, SO4‐

2, CO2)que não o O2 em carbono inorgânico (CO2) e água;, 2)q 2 g ( 2) g ;. Realizada por microrganismos anaeróbicos (archeas e bactérias) restritos (não toleram a presença do oxigênio)bactérias) restritos (não toleram a presença do oxigênio) e facultativos (toleram a presença do oxigênio).


HeterotrofiaHeterotrofia2) Respiração anaeróbica: é a transformação de carbono ) Respiração anaeróbica: é a transformação de carbonoorgânico e um aceptor de elétrons (NO3

‐,Mn+4, Fe+3, SO4‐

2, CO2)que não o O2 em carbono inorgânico (CO2) e água;, 2)q 2 g ( 2) g ;

NO3‐ N2

Mn+4 Mn+2

CH2O + Fe+3 Fe+2 + CO2 + H2O

SO4‐2 HS‐

CO2 CH4


HeterotrofiaHeterotrofia3) Fermentação: é a transformação de carbono orgânico 3) Fermentação: é a transformação de carbono orgânicoem outros compostos orgânicos, sem a utilização de oxigênio ou outro composto inorgânico;g p g ;. Realizada por microrganismos anaeróbicos restritos (não toleram a presença do oxigênio)(não toleram a presença do oxigênio).

etanol

lactato

CH2O piruvato2 p

acetato

H2


2

Assimilação de Energia pela BiotaCalor

Assimilação de Energia pela Biota

Organismo


Organismo

RespiraçãoExcreção


Excreção

Catabolismo x AnabolismoCatabolismo x Anabolismo. Catabolismo – parte do metabolismo relacionada à . Catabolismo parte dometabolismo relacionada àtransformação química de compostos para obtenção de energia na forma de ATP;g ;. Anabolismo – parte do metabolismo relacionada à transformação química de compostos para incrementotransformação química de compostos para incremento de biomassa.


Foto‐autotrofiaMatéria Inorgânica

Foto‐autotrofia

Incorporação

Excreção

Transportea

b

cATP μc

dATP

Biomassa

μ

eProduto Estoqueμe(oxidado)

Catabolismo


Célula Fitoplâncton

Quimio‐autotrofiaQuimio‐autotrofiaMatéria Inorgânica

Incorporação

Excreção

Transporte

ATP

b

c μ

Produto

ATP c

de Biomassa

μ

(oxidado) μe Estoque


Célula Bacteriana

HeterotrofiaMatéria Orgânica

Heterotrofia

Incorporação

Excreção

Transporte

ATPa

b

c μ

Produto ( id d )

ATPad

e Biomassa

μ

(oxidado) μe Estoque


Célula Bacteriana

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