Capítulo 2 – O ecossistema

1. Conceito de Ecossistema Qualquer unidade que abranja todos os organismos vivos que estão em conjunto numa dada área, interagindo com o ambiente físico, possibilitando um fluxo de energia e a ciclagem dos nutrientes entre partes bióticas e abióticas.

ECOSSISTEMAS = Sistemas Abertos : ambientes de entrada e saída devem ser considerados.

Componentes do Ecossistema : 1- Comunidade; 2- Fluxo de energia; 3- Ciclagem de materiais; 4- Controle

Fluxo de Energia: sentido único (Energia solar transformada em matéria orgânica). A energia pode ser armazenada e depois liberada ou exportada, mas não pode ser reutilizada (1ª lei da termodinâmica).

A eficiência da ciclagem e a grandeza das importações e exportações de nutrientes dependem do ambiente e variam de ecossistemas.

Todos os ecossistemas são sistemas abertos: ambiente de entrada e saída de energia acoplados e essenciais para que o ecossietama funcione.

Variação do ambiente de entrada e de saída:

1. Tamanho do sistema (quanto maior o ecossistema, menos dependente do exterior)2. Intensidade metabólica (quanto maior o metabolismo, maiores os ambientes) – válida

também para o organismo – quanto maior, maior o metabolismo (custo de manutenção)3. Equilíbrio autotrófico/heterotrófico (quanto mais desequilibrado, mais elementos

externos são necessários para reequilibrá-lo).4. Estágio de desenvolvimento (sistemas jovens diferem de sistemas adultos)

2. Estrutura do Ecossistema

1- Do ponto de vista trófico: 2 estratos

1. Autotrófico (faixa verde): Plantas clorofiladas que transformam substâncias inorgânicas simples em substâncias orgânicas complexas.

2. Heterotrófico (faixa marrom ): Solos, sedimentos, raízes, material em decomposição etc...

A maior parte do metabolismo autotrófico ocorre no estrato superior da “faixa verde”, onde há Energia luminosa disponível; já o metabolismo heterotrófico mais intenso, ocorre na “faixa marrom” inferior, onde a matéria orgânica acumula-se em solos e sedimentos.

2- Do ponto de vista biológico:

Substâncias Inorgânicas (Envolvidas nos ciclos de materiais) Compostos orgânicos (Ligação Biótico-Abiótico) Ambiente atmosférico Produtores (Autotróficos) Macroconsumidores ou fagotróficos (Heterotróficos: animais que ingerem

outro organismo “vivo” ou matéria orgânica particulada - MOP) Microconsumidores ou saprótrofos (Principalmente bactérias e fungos –

consomem organismos mortos - matéria orgânica dissolvida - MOD).

3. Estudo dos Ecossistemas

1- Abordagem Holística: Tanto as entradas quanto as saídas são medidas, as propriedades emergentes e coletivas do todo são avaliadas e então, conforme necessário faz-se o estudo de cada elemento.

2- Abordagem Merológica: As partes “mais importantes” são estudadas primeiro, para depois serem integradas num sistema todo (quebra-cabeças)

Na prática, a abordagem de 1 ou 2 depende do tipo de estudo e do próprio sistema. Às vezes a melhor forma de se entender um ecossistema é perturbá-lo de alguma forma a fim de obter respostas esclarecedoras de hipóteses sobre aquele meio (Ecologia do Estresse ou Ecologia da Perturbação).

4. Controle Biológico do Ambiente Geoquímico: A Hipótese de Gaia

Controle Bioquímico: Os organismos individuais não só se adaptam ao meio, mas através de sua ação conjunta, adaptam (modificam) o ambiente geoquímico às suas necessidades biológicas. As comunidades e seus Ambientes de Entrada e Ambientes de Saída desenvolvem-se em conjunto, como ecossistemas.

HIPÓTESE DE GAIA: Sustenta que os organismos (principalmente os microorganismos) evoluíram junto com o ambiente físico, formando um sistema complexo de controle, o qual mantém favoráveis à vida as condições da Terra.Os organismos controlam a própria composição da nossa atmosfera (Ambiente abiótico controla as atividades dos organismos e também os organismos influenciam e controlam o ambiente abiótico de muitas maneiras importantes).

5. Decomposição e Produção Global

Há um pequeno superávit de matéria orgânica produzida que é incompletamente decomposta em sedimentos anaeóbios ou é totalmente enterrada e fossilizada sem nunca ser respirada ou decomposta. Este superávit de produção orgânica em relação à respiração , é uma das principais razões para um decréscimo de CO2 e um aumento no teor de O2 na atmosfera. Isso tornou possível a evolução e sobrevivência das formas mais avançadas de vida.

FOTOSSÍNTESE luz

Equaçao Global: CO2 + H2O ----------> (CH2O) + O2

clorofila

Produção de Matéria orgânica a partir de compostos inorgânicos simples, como CO2 e H2O, realizada na presença de luz.

CO2: Absorvido através dos estômatos (difusão). Teor atmosférico de CO2 entre 0.03% 0.04%

H2O: Retirada do solo por absorção nas raizes.

Luz: Principal fonte é a energia solar.Só é utilizada a luz branca (visível) cujo comprimento de onda varia entre 390 a 760 nm.

< rendimento = luz verde (refletida) > rendimento = luzes vermelha e azul

luz Fotossíntese Bacteriana: CO2 + 2H2S -------------> (CH2O) + 2S + H2O

Ac sulfídrico bacteriofila

Não há liberação de O2. As bactérias são anaeróbias.A fotossíntese bacteriana pode ser útil em águas poluídas e eutróficas.

TIPOS DE FIXAÇÃO DE CO2:

C3 Aquelas que fixam CO2 pelo ciclo de fosfato de pentose (Ciclo de Calvin). Apesar de sua menor eficiência fotossintética, as plantas C3 são responsáveis pela maior parte da produção mundial fotossintética, pois se dão melhores onde há uma competitividade por luz, além de serem mais produtivas quando em baixas taxas de luminosidade.

C4 Aquelas que reduzem o CO2 seguindo o ciclo de ác.descarboxílico.As plantas C4 são mais eficientes pois resistem a maiores temperaturas e intensidades luminosas, logo, predominam em vegetações desérticas e tropicais (Destaque para as gramíneas)

CAM Metabolismo Ácido Crassuláceo. Elas mantêm os estômatos fechados durante o dia quente e abertos durante as horas mais fescas da noite.O CO2 é absorvido quando estes estão abertos e armazenado sobre a forma de ácido orgânico e fixado somente no dia seguinte. Este atraso na fotossíntese diminui muito a perda de água durante o dia.

QUIMIOLITOTRÓFICOS: Bactérias quimiossintéticas que obtém Energia para fixação de CO2 em reações de oxidação química de compostos inorgânicos (amônia em nitrito; nitrito em nitrato, etc.). Elas crescem no escuro, porém a maioria delas precisa de O2. Estes organismos estão envolvidos mais na recuperação do Carbono, do que na produção primária, pois no final, sua fonte energética é a matéria orgânica produzida pela fotossíntese.

DECOMPOSIÇÃO:

Resulta tanto de processos bióticos como abióticos. Logo, congelamento, derretimento, fluxo d’água também quebram compostos orgânicos. Microorganismos saprófagos e heterótrofos agem sobre restos mortais de animais e plantas, obtendo assim seu alimento.

Os produtos mais resistentes da decomposição acabam como húmus (componente universal

dos ecossistemas). Trata-se de uma substância escura, amarronzada, amorfa ou coloidal.São condensações de compostos aromáticos combinados com os produtos da decomposição de proteínas e polissacarídeos.

É conveniente reconhecer 3 fases da Decomposição :

1. Formação de detritos por ação física e biológica (acompanhada de liberação de matéria orgânica dissolvida)

2. Formação relativamente rápida do húmus e a liberação de mais compostos orgânicos solúveis pelos saprótrofos.

3. Mineralização do húmus (lenta)

DEGRADAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA: Processo longo e complexo, controlando várias funções importantes no ecossistema. 1- Recicla os nutrientes através da mineralização da matéria orgânica morta; 2- Quela e complexa os nutrientes minerais; 3- Recupera nutrientes; 4- Produz alimento para uma sequência de organismos na cadeia de detritos; 5- Produz metabólitos secundários que podem ser inibidores ou estimuladores e que são muitas vezes, reguladores; 6- Modifica os materiais inertes da superfície terrestre, produzindo o complexo característico da terra que é o solo; 7- Mantém uma atmosfera que permita a vida de aeróbicos de grande massa, como nós.

ESTABILIDADE DOS ECOSSISTEMAS:

A estabilidade ou equilíbrio dinâmico se mantém no conjunto do ecossistema, embora tanto suas variáveis quantitativas quanto as qualitativas variem ao longo do tempo e do espaço. Pode-se avaliar a estabilidade do sistema por certas variáveis tanto bióticas quanto abióticas, tais como número de espécies, número total de indivíduos, taxa anual de produção primária etc..

Essa variação ocorre dentro de uma faixa normal de operação do ecossistema.

Componentes da Estabilidade dos Escossistemas:

1. Resistência : Indica a capacidade de um ecossistema de se manter estável diante do estresse. Ex: Floresta Amazônica: Bastante resistente ao fogo (alta resistência), no entanto, se queimar, recuperar-se-á muito lentamente (baixa elasticidade).

2. Resiliência ou Elasticidade : Indica a capacidade do sistema se recuperar quando é desequilibrado por uma perturbação. Ex: Cerrado: Possui uma baixa resistência ao fogo (baixa resistência), mas apresenta uma alta elasticidade ou resiliência por estar altamente adaptado à passagem do fogo.

O ecossistema só é considerável estável se, e somente se, quando sofre um distúrbio, ele voltar a operar na sua faixa normal de operação.A manutençao desa faixa normal de operação se dá por dois mecanismos principais:

1. Circuitos de Retroalimentação : São reações de Feedback, que inibem ou desencadeiam fatores subsequentes (O Feedback positivo acelera os desvios, já o negativo tende a retornar ao status quo anterior - regulador).

2. Redundância : Homotaxia nos componentes funcionais. Ex: espécies por terem nichos pareados se substituem, quando há alguma perturbação e uma espécie é prejudicada, a outra pode assumir o seu papel no ecossistema.

Ecossistemas novos tendem a oscilar mais violentamente. O grau de estabilidade é alcançado pela história evolutiva e eficiência dos controles internos e ambientes externos.

Capítulo 3 – A Energia nos Sistemas Biológicos

Os Ecossistemas e Organismos são sistemas abertos que conseguem criar e manter um alto grau de ordem interna (ao custo de energia), ou uma condição de baixa entropia* (para isso a energia). *quantidade de E não-disponível num sistema.

Produtores: Responsáveis pela produção primária (Produção de compostos orgânicos)Feita pela: 1. Quimiossíntese

2. Fotossíntese Bacteriana 3. Fotossíntese das Plantas

Armazenam a Energia Solar – 1017 gramas de M.O/Ano

Produtividade: É a taxa (quantidade de energia fixada num ∆t) de conversão da energia radiada em substâncias orgânicas pela atividade fotossintética e quimiossintética dos organismos produtores.

1. Produtividade Primária Bruta ( PPB ) : Taxa global de fotossíntese, toda a matéria orgânica produzida.

2. Produtividade Primária Líquida ( PPL ) : Taxa de armazenamento da matéria orgânica nos tecidos vegetais. (PPB menos a respiração dos produtores)

3. Produtividade Liquida da Comunidade ( PLC ) : Taxa de armazenamento de matéria orgânica não utilizada pelos heterótrofos (Ou seja, a PPL – consumo heterotrófico).

4. Produtividades Secundárias : Taxas de armazenamento energético em níveis de consumidores.

Na Água, a produtividade máxima ocorre logo abaixo da superfície (faixa eufótica), pois o fitoplâncton circulante está adaptado à sombra, sendo inibido pela luz intensa. Na floresta, as folhas das copas das árvores estão adaptadas ao sol e as dos estratos inferiores à sombra.

EVOLUÇÃO DOS MODOS DE OBTENÇÃO DE ENERGIA:

- 1º Modo de Obtenção de Energia: Fermentação (Respiração Anaeróbia) – menos eficiente

- 2º Modo de Obtenção de Energia: Respiração Aeróbia – mais eficiente

Organismos com mais de 500 μm: Achatamento (diminuição do diâmetro) e presença de vilosidades que aumentam a área de absorção.

Multicelularidade : Metabolismo de 4 a 6 vezes maior para multicelulares de mesmo tamanho de unicelulares.

Multicelulares Endotérmicos de mesmo tamanho que multicelulares ectotérmicos tem um metabolismo de 10 a 40 vezes maior.Vantagens da Endotermia: Ocupação de lugares frios (novos nichos); Minimização da competição.

TERMODINÂMICA E ENERGIA:

Energia: Capacidade de Realizar Trabalho. Seu comportamento é descrito pelas seguintes leis:

1. 1ª Lei da Termodinâmica : A energia pode ser transformada de um tipo em outro, mas não pode ser criada e nem destruída.

2. 2ª Lei da Termodinâmica : Nenhum processo que implique a tranformação de E ocorerrá espontaneamente, a menos que haja uma degradação da energia sob a forma de calor. A Entropia é uma medida de E não disponível resultante das tranformações.

60% da Energia Solar chega até a atmosfera, destes:

4% é refletida pelas núvens;

7% é refletida pelo ar;

14% Atinge as partes mais altas;

11% Atinge as partes mais profundas;

26% Atinge áreas habitadas pelos seres vivos;

4% Perde-se para a atmosfera;

Fontes de Energia:

O sol é a principal fonte de energia para a Terra. Cerca de 99.97% da energia é disponibilizada pelo Sol.O restante vem do interior da Terra. No sol, 4 átomos de Hidrogênio se unem para formar 1 átomo de Hélio.Durante esse processo, parte da massa dos hidrogênios é tranformada em energia que é irradiada.

Fontes de Tranferência de Enegia:

1. Transporte da radiação por meio de Ondas eletromagnéticas: A energia solar percorre 1.5x108 km até chegar a Terra.

2. Condução : Contato físico entre dois objetos. Ocorre entre a superfície terrestre e a atmosfera.

3. Convecção : Movimento vertical de fluidos (água, gases)

Dissipação da Radiação Solar na Biosfera:

Forma % de Energia

Refletida 30

Conversão direta em calor 46

Evaporação,Precipitação 23

Ventos, ondas e correntes 0.2

Fotossíntese 0.8

Energia das Marés 0.0017

Energia Terrestre 0.5

A Energia Refletida é chamada de ALBEDO. Ela se perde sob a forma de calor.

ILHAS DE CALOR: No centro das cidades, as temperaturas são mais elevadas do que na periferia devido aos albedos resultantes da grande quantidade de concreto.

CADEIAS ALIMENTARES:

Processo pelo qual a energia é transferida desde a fonte (autótrofos) até os organismos que consomem e são consumidos. A cada transferência, boa parte da energia é perdida sob a forma de calor. Há 2 tipos de cadeias: 1. Cadeia de Pastagem: Plantas-herbívoros-carnívoros; 2. Cadeia de Detritos: Matéria Orgânica morta-microorganismos-detritívoros-predadores. Ambos os tipos estão interligados (formando Redes Tróficas), uma vez que o alimento ingerido no pasto não é completamente assimilado e acaba sendo desviado para a cadeia de detritos.

Princípio do Aumento Biológico (Efeito cumulativo): Substâncias Tóxicas são acumulativas ao longo da cadeia alimentar.

Capítulo 4 – Ciclos Biogeoquímicos

Ciclos Biogeoquímicos são a circulação de elementos químicos do ambiente para os organismos. As trocas biológicas interagem com as trocas físicas e por isso os ciclos de nutrientes são chamados ciclos biogeoquímicos.

O movimento destes elementos pode ser denominado Ciclagem de Nutrientes.Cada ciclo pode ser dividido em 2 pools: 1. Lábil Parcela menor e mais ativa, que se move rapidamente entre os organismos e o ambiente imediato (Pool disponível ou permutável); 2. Reservatório Parcela maior, de movimentos lentos, geralmente não biológico (Parcela quimica ou fisicamente afastada dos seres vivos). As taxas de movimento dos nutrientes entre esses pools é chamada de Taxa de Fluxo.

Do ponto de vista da biosfera, os ciclos biogeoquímicos são divididos em: Gasosos (Reservatórios situados na atmosfera e hidrosfera. Ex: N2; C e O) e Sedimentares (Reservatórios na crosta terrestre.Ex: Fe; P e S).

A diferença entre ciclos sedimentares e gasosos é porque há alguns elementos que têm seus ciclos ajustados às perturbações dos reservatórios atmosféricos e oceânicos. Os ciclos gasosos são Bem-Tamponados (grande capacidade de ajuste); os Sedimentares tendem a ser menos controlados (pois o material está quase todo imóvel, na crosta). O objetivo da conservação dos recursos da natureza é de tornarem mais cíclicos os processos acíclicos.

ESTUDO QUANTITATIVO DOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS:

Taxa de Reposição: Fração da quantidade total de uma substância de um componente que é liberado ou captado num ∆t.

Tempo de Reposição: É o recíproco da taxa, isto é, o tempo necessário para repor uma quantidade de substância igual à quantidade contida no sistema.

Tempo de Residência: Refere-se ao tempo de permanência de uma dada substância ou elemento no sistema. Ex: Lagos possuem um Tempo de Residência mais curto por que a razão entre a superfície do lago e o volume da água é maior.

BIOQUÍMICA DAS BACIAS HIDROGRÁFICAS:

Uma Bacia Hidrográfica é uma ótima ferramenta para o estudo da ciclagem dos nutrientes. Três teorias:

Teoria do Contínuo Fluvial (River Continuum Concept – 1980): Os cursos das cabeceiras são pequenos e sombreados (pouca luz disponível), os consumidores dependem de detritos foliares e outros detritos orgânicos (importações). O ecossistema das cabeceiras dos rios é Heterotrófico (*Baixo índice P/R). O curso médio dos rios são mais largos, não sombreados com grande PP, o metabolismo da comunidade é Autotrófico (*Alto índice P/R). No curso inferior dos rios, a corrente está reduzida, a água é barrenta (diminuindo a taxa fotossintética) e o rio torna-se novamente Heterotrófico.

Teoria dos Pulsos de Inundação (Flood Pulse – 1987): Em regiõs tropicais, há uma abundância de chuvas e ocorrem pulsos de inundação (*Estes pulsos de inundação disparam vários processos biológicos), e não diferenças ao longo do curso do rio, como previa a teoria do contínuo fluvial. (Pântanal)

Teoria da Retromanutenção Material (Material Spiralling – 1975): Ao longo do curso do rio ocorre uma retromanutenção dos nutrientes representada por peixes e outros animais que “circulam” com os nutrientes ao longo de toda comunidade (Volta dos nutrientes: larvas e piracema).

A CICLAGEM DE NUTRIENTES NOS TRÓPICOS:

O acúmulo de nutrientes na biomassa em regiões tropicais são maiores que as temperadas.

Zona Temperada: A matéria orgânica e os nutrientes permanecem no solo.O tempo de

reposição é maior, por isso o solo tem mais nutrientes do que a biomassa.A ciclagem é mais física.

Zona Tropical: A matéria orgânica e os nutrientes estão concentrados na biomassa.

Estes por sua vez são reciclados dentro da estrutura orgânica dos nutrientes, auxiliadas por

adaptações biológicas, que se removidas, os nutrientes se perdem rapidamente por lixiviação.

Algumas destas adaptações:

- As raizes são expostas a serrapilheira (melhor absorção)- Micorrizas (captura de N2)- Folhas perenes com cutículas grossas (menor perda de H2O e nutrientes)- Canaletas na folha (menor lixiviação)- Algas e líquens (absorção de nutrientes)- Cortiça (menor difusão [perda] de nutrientes)

VIAS DE RECICLAGEM:

1. Decomposição microbiana e complexo de detritos.

2. Excreções animais

3. Reciclagem direta de planta para planta pelos simbiontes microbianos

4. Ação direta da energia solar .

5. Uso da energia do combustível (Como na fixação industrial do N2)

CICLAGEM DOS ELEMENTOS

Ciclo do Fósforo (P): O fósforo existe em poucas formas químicas e tende a circular quando os compostos orgânicos desintegram-se em fosfatos, que são disponíveis para as plantas.O pool reservatório são rochas, e formações geológicas que sofrem erosão e liberam fosfato para o ecossistema.Vias de devolução: Fosfatos lixiviados para os ecossistemas aquáticos ficam em suspensões, sendo incorporadas por algas, consumidas por peixes, aves (que devolvem parte na forma de guano). Ps: Trocas de fósforo em pântanos Gramínea com raizes profundas, no sedimento anaeróbio bombeia o fósforo. Mexilhões reciclam o fósforo do material particulado.

Ciclo do Nitrogênio (N): É um exemplo de um tipo gasoso muito complexo e bem tamponado.Os processos que ocorrem no ciclo são: FIXAÇÃO, ASSIMILAÇÃO,NITRIFICAÇÃO, DESNITRIFICAÇÃO, DECOMPOSIÇÃO E LIXIVIAÇÃO. O fator-chave da biofixação é a nitrogenase. A fixação do N2 é cara por causa da tripla ligação. Apenas procariotos são responsáveis pela fixação do N2 em formas nitrogenadas. Quando os microorganismos estão mutuamente relacionados com plantas superiores, a fixação é aumentada. A planta fornece um hábitat apropriado (anóxico – o oxigênio inibe os microorganismos) em troca de compostos assimiláveis de N fixado. Parte desse nitrogênio se transforma em amônia e nitrato (as formas utilizadas pelas plantas). O nitrogênio entra continuamente na atmosfera (pool reservatório) pela ação das bactérias desnitrificantes.

Ciclo do Enxofre (S): Possui cinco características importantes: Pool reservatório é no solo e sedimentos; o SO4 (sulfato) é a principal forma disponível que é reduzida pelos autótrofos e incorporado nas proteínas; a recuperação maior do enxofre ocorre pela ação microbiana a partir de sedimentos anaeróbios nos pântanos.

Ciclo do Carbono (C): Pool reservatório atmosférico. Mecanismos de ciclagem: o homem é o vetor biológico pela queima de combustíveis fósseis.