Aula5 O fluxo de energia nos ecossistemas e os ciclos biogeoquímicos

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

O fluxo de energia nos ecossistemas 
e os ciclos biogeoquímicos
UFRGS – IB – Dep. de Ecologia
Ciências Biológicas: Ecologia de Ecossistemas 2017/2
Aula V
Professora: Sandra Cristina Müller
Estagiária: Gabriela Reis-Avila (doutoranda PPG Ecologia)
Como todas as entidades biológicas, as comunidades ecológicas requerem matéria para sua construção e energia para as suas atividades. Precisamos conhecer as vias pelas quais matéria e energia entram e saem dos ecossistemas, como são transformadas em biomassa vegetal e como isso alimenta o resto da comunidade – bactéria e fungos, herbívoros, detritívoros e seus consumidores.
Thownsend et al. (2008) 
Fundamentos em Ecologia. 3ª ed. p.403
Como todas as entidades biológicas, as comunidades ecológicas requerem matéria para sua construção e energia para as suas atividades. Precisamos conhecer as vias pelas quais matéria e energia entram e saem dos ecossistemas, como são transformadas em biomassa vegetal e como isso alimenta o resto da comunidade – bactéria e fungos, herbívoros, detritívoros e seus consumidores.
Thownsend et al. (2008) 
Fundamentos em Ecologia. 3ª ed. p.403
Nesta aula e 
nas próximas 
duas semanas!
Aula de hoje:
1. Ciclo da energia nos ecossistemas:
Marcos históricos
Definições importantes
Entrada de energia nos ecossistemas
Destino da energia
Energia através das cadeias alimentares
Conceito de eMergia
Classificação de ecossistemas com base na energia
2. Ciclo da matéria nos ecossistemas:
Definições importantes
Ciclo hidrológico
Ciclo do Carbono
Ciclo do Nitrogênio
Ciclo do Fósforo
Ciclo do Enxofre
Marcos históricos
Populações e comunidades como transformadores de energia
O sistema pode ser descrito por equações que representam troca de matéria e energia entre seus componentes
Princípio termodinâmicos
Alfred J. Lotka
Conceito termodinâmico de ecossistema
Energética Ecológica
Quantificar o conceito de cadeias alimentares ao considerar a eficiência de transferência da energia ao longo dos níveis tróficos
Marcos históricos
Caracterização e quantificação da energia e matéria transferidas entre as diferentes partes do sistema útil para comparar estrutura e função de diferentes ecossistemas
Ecossistemas (~1950)
1. Comunidade
2. Fluxo de energia
3. Ciclagem de nutrientes
Ecólogos começaram a medir fluxo de energia e ciclagem de nutrientes
Marcos históricos
O que é energia?
Definições importantes
O que é energia?
Capacidade de realizar trabalho
Definições importantes
O que é energia?
Capacidade de realizar trabalho
1ª lei da termodinâmica
energia pode ser transformada, mas não criada nem destruída
2ª lei da termodinâmica 
em toda transformação energética, existe uma degradação energética de uma forma concentrada para uma forma dispersa
Definições importantes
Nunca há 100% de eficiência na transformação.
Parte é perdida em forma de energia térmica não disponível para realização de trabalho
Organismos, ecossistemas, biosfera criam e mantém uma condição de baixa entropia interna (aumento da entropia externa)
Mecanismo: dissipação da energia de alta qualidade (luz, alimento) em energia de baixa qualidade (calor)
Em toda transformação energética, existe uma degradação energética de uma forma concentrada para uma forma dispersa
ENTROPIA
Definições importantes
O ciclo de energia no ecossistema
Da energia luminosa incindida na Terra:
Entrada de energia no ecossistema
Produtividade primária
Taxa na qual a energia radiante é convertida pelos produtores em substâncias orgânicas – biomassa
Fotossíntese: armazenagem de uma parte de energia solar sob a forma de energia em potencial - energia química - por plantas, algas e organismos unicelulares
Entrada de energia no ecossistema
6 H2O + 6 CO2
C6H12O6 + 6 O2
clorofila
PAR
PPB: total de energia assimilada pelas plantas na fotossíntese.
PPL: energia assimilada pelas plantas na forma de biomassa, não respirada e disponível para os consumidores.
Ricklefs (2010)
PPL = PPB - respiração autotrófica
PLC: produção total da comunidade excluindo-se a respiração autotrófica e heterotrófica
PLC = PPL – respiração heterotrófica
Entrada de energia no ecossistema
Energia luminosa
Produção autotrófica
Herbivoria
Predação
Fotossíntese
Respiração
Respiração
Respiração
Decomposição
O destino da energia
~> Calor
~> Calor
~> Calor
~> Calor
Consumidores
O destino da energia
Cadeia de pastejo
Cadeia de detritos
O destino da energia
Consumidores
Maior parte da PPL é consumida no sistema decompositor.
O destino da energia
Moléculas complexas, ricas em energia degradadas por detritívoros e decompositores em CO2, H2O e nutrientes
A energia passa ao longo da cadeia alimentar aprisionada em compostos orgânicos (açúcar, gordura, proteína), ligada ao carbono
Uma vez que a energia é transformada em calor, não retorna ao sistema, não pode mais ser usada pelos organismos para realizar trabalho ou como combustível para síntese de biomassa
O calor é perdido para a atmosfera e não pode ser reciclado
A vida só é possível, pois há suprimento de radiação solar continuamente
O destino da energia
Como já vimos, em cada nível a energia é respirada para manutenção das atividades metabólicas e liberada na forma de calor (80-90%)
Energia através das cadeias alimentares
Muita energia perdida ao longo de cadeias alimentares longas, mas parcialmente compensada pela qualidade de energia
Eficiência ecológica: (Pn/Pn-1)*100
Previsão: 10,13% (2-24%)
Eficiência de consumo: (In/Pn-1)*100
Proporção da PPL do nível n-1, consumida pelo nível n
Ex. invertebrados – gramíneas (0,5-15%), zooplancton – fitoplancton (50%)
Eficiência de assimilação: (An/In)*100
Ex. 20-50% herbívoros, detritívoros
	80% carnívoros
Eficiência de produção: (Pn/In)*100
Ex. 40% invert., 10% ectotérm., 2% endoterm.
<número>
Nem todas as calorias são iguais…
Conceito de eMergia
Variações na qualidade de energia
energias concentradas vs. energias dispersas
combustíveis fósseis
energia solar
eMergia: qualidade (concentração) da energia
soma de toda a energia disponível já usada direta ou indiretamente para criar um serviço ou produto
Ex. 1000 cal de luz solar equivalem a 1 cal de alimento 
eMergia do alimento = 1000 cal e solar / 1 cal alimento = 1000 cal e solar
Ecossistemas naturais movidos a energia solar não subsidiados
Ecossistemas naturais movidos a energia solar subsidiados por outras energias naturais
Ecossistemas movidos a energia solar com subsídios humanos
Tecnoecossistemas urbano-industriais movidos a combustível (usando energia de comb. fósseis ou outros combustíveis)
Classificação dos ecossistemas com base na energia
<número>
Ecossistemas naturais movidos a energia solar não subsidiados
Alta eficiência na utilização da energia
Baixa produtividade ou capacidade de trabalho
Regulação atmosférica, climática e hidrológica
Serviços ecossistêmicos
Classificação dos ecossistemas com base na energia
<número>
Ecossistemas naturais movidos a energia solar não subsidiados
Ecossistemas naturais movidos a energia solar subsidiados por outras energias naturais
Classificação dos ecossistemas com base na energia
Aumento da produtividade
Energia solar ampliada a partir de subsídios
Chuva, vento, ondas, correnteza
<número>
Ecossistemas naturais movidos a energia solar não subsidiados
Ecossistemas naturais movidos a energia solar subsidiados por outras energias naturais
Ecossistemas movidos a energia solar com subsídios humanos
Classificação dos ecossistemas com base na energia
Produção de alimento mantidas por subsídios energéticos humanos (comb. fósseis, trabalho humano e animal, fertilização, seleção genética)
Gasto no campo e no processamento e transporte do alimento para os mercados 
<número>
Ecossistemas naturais movidos a energia solar não subsidiados
Ecossistemas naturais movidos a energia solar subsidiados por outras energias naturais
Ecossistemas movidos a energia solar com subsídios humanos
Tecnoecossistemas urbano-industriais movidos a combustível (usando energia de comb. fósseis ou outros combustíveis)
Classificação dos ecossistemas com base na energia
Energia solar é substituída pela energia de combustíveis
Alta eMergia
Alimento alóctone
<número>
Classificação dos ecossistemas com base na energia
<número>
Os elementos químicos tendem a circular na biosfera em vias características do ambiente aos organismos e destes novamente ao ambiente.
		CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
Elementos principais: (H2O), C, H, O, N, P, S
Organismos gastam energia para capturar esses elementos 
do ambiente para crescimento manutenção das atividades metabólicas
A energia não pode ser reciclada, mas esses elementos inorgânicos simples, incorporados pela fotossíntese em moléculas orgânicas complexas e respirados pelos consumidores são liberados novamente como elementos orgânicos simples
CLICLAGEM DE NUTRIENTES
Suprimento esgotável (recurso)
Definições importantes
Ciclagem de nutrientes
Pool reservatório
Componente maior
Movimentos lentos
Geralmente não biológico
Ciclagem de nutrientes
Pool de ciclagem
Componente maior
Parte ativa, permutada entre organismos e meio ambiente
Tipos gasosos
Reservatório na atmosfera
Tipos sedimentares
Reservatório na crosta terrestre
Ciclo
Reservatório
Ciclagem de nutrientes
Ciclo hidrológico
O ciclo hidrológico global é análogo aos ciclos dos elementos químicos
Ciclo do Carbono
O ciclo do carbono está intimamente ligado ao fluxo de energia
Gasoso
Três processos de ciclagem: fotossíntese e respiração, assimilação atmosférica pelos oceanos e precipitação de carbonatos no oceano (litosfera: carbonatação de calcário)
 
Ciclo do Nitrogênio
Gasoso: N2
Fixação de nitrogênio terrestre: bactérias Rhirobium nos nódulos das raízes das leguminosas
Ciclo: nitrato (NO3-) → nitrogênio orgânico (assimilação pelas plantas) → amônia → nitrito (nitrificação por bactérias, NO2-) → nitrato (nitrificação adicional)
Desnitrificação: solos, sedimentos e águas profundas. Bactérias usam o NO3- como oxidante. 
NO3- → NO2- → N2O → N2
Ciclo do Fósforo
Sedimentar 
Hidrosfera
Entrada terrestre: desagregação química da rocha
Permanece por décadas -séculos e escoa através de águas subterrâneas para um curso d’água e para o oceano
100 ciclos no oceano: águas superficiais e profundas (~1000 anos) e após sedimenta-se
Se torna disponível novamente apenas com o soerguimento do fundo oceânico
Ciclo do Enxofre
Gasoso e sedimentar 
Entrada terrestre: intemperismo da rocha 
Entrada atmosfera: vulcanismo, respiração anaerobia, aerossóios do mar
Escoamento: porção do enxofre (sulfato) é ciclado dentro das comunidades (fração muito menor que N e P)
Próxima semana:
Produtividade
Fotossíntese/quimiossíntese
Padrões de produtividade e fatores limitantes
Decomposição
Respiração e fermentação
Biomassa
Colheita em pé