Matéria, energia e ecossistemas

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Matéria, Energia e 
funcionamento dos ecossistemas
Objetivos instrucionais
• Ao final dessa aula, você deverá ser capaz de:
1. Reconhecer a importância dos diferentes componentes da 
biodiversidade no funcionamento dos ecossistemas
2. Compreender como a transformação da matéria e fluxo de energia 
nos ecossistemas é alterado por ações antrópicas
Níveis de organização
Tipos de ecossistemas
● Biomas
– Terrestres
Tipos de ecossistemas
● Biomas
– Terrestres
– Aquáticos
● Rios
Tipos de ecossistemas
● Biomas
– Terrestres
– Aquáticos
● Rios
● Lagos
Tipos de ecossistemas
● Biomas
– Terrestres
– Aquáticos
● Rios
● Lagos
● Mares
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Componentes dos ecossistemas
● Abióticos
– Climáticos: chuva, luz, vento, etc
– Edáficos: solo, pH, mineral, topografia, etc
● Biológicos
– Produtores (autótrofos): plantas, fitoplâncton, etc
– Consumidores (primários, secundários, etc...): animais
– Detritívoros e decompositores: insetos, fungos, bactérias
Produtores (autótrofos)
• Fotossíntese
• Quimiossíntese
• Disponibilizam matéria e energia para os demais níveis tróficos
• Mas também dependem de nitrogênio, fósforo, potássio, enxofre, etc.
Detritívoros e decompositores
Cogumelo
Madeira
reduzida a 
pó
Besouro
serra-pau
Besouro
rola-bosta
Galerias de
formiga 
carpinteira
Cupins
Fungo –
orelha de pau
Detritívoros Decompositores
Tempo Pós reduzido a nutrientes de 
plantas no solo pelos 
decompositores
Componentes dos ecossistemas
Sun
Produtores - plantas
Produtores (Fitoplâncton)
Consumidores primários (zooplancton)
Consumidores secundários (peixe)
Químicos 
dissolvidos
Consumidores
terciários
(tartarugas)
Sedimentos
Decompositores (bactérias e fungos)
Sol
Produtores
Preciptação
Folhas e 
galhos 
caídos
Produtores
Consumidor 
primário
Consumidor 
secundário
CO2
O2)
Água
Decompositores 
do solo
Nutrientes minerais 
solúveis
Componentes dos ecossistemas
Produção de energia química
Calor irradiado 
pela terra
Radiação 
solar
Absorvida
pelo ozônio
Radiação UV
Luz 
visível
Absorção 
pela terra
Refletida pela 
atmosfera (34%)
Energia que entra = Energia que sai
Irradiado pela 
atmosfera como 
calor (66%)
Camada de ozônio
Troposfera Efeito
estufa
Calor
Energia e matéria
• Ligações de carbono armazenam energia
• Mantêm elétrons em altos níveis de energia
• Retirada das ligações necessita de receptores de elétrons
• Frequentemente oxigênio
• Por isso, carbono é a moeda energética
• Carbono é matéria
• Ligações são energia
Leis da termodinâmica
• A energia flui em um processo unidirecional
• A entropia do sistema tende a aumentar (quantidade de 
energia não disponível) e para diminuir mais energia deve 
entrar
Energia pode ser convertida em 
diferentes formas mas não pode 
ser criada ou destruída
Transformações de energia sempre 
resultam em alguma dissipação de 
energia
Energia e ecossistemas
• A quantidade de energia do universo é constante
• 1ª Lei da termodinâmica
• Energia não é criada ou destruída
• Quantidade de energia útil diminui a cada transformação
• 2ª Lei da termodinâmica
• Entropia aumenta
C é fonte principal de matéria e ligações energia
Energia utilizada na respiração para manutenção
Então:
Energia ingerida – excretada = assimilada
Energia assimilada – respiração – excreção = produção
Logo, produção envolve a quantidade de C retirado da 
atmosfera que representa a quantidade de energia 
disponível para os consumidores
ENERGIA FLUI E A MATÉRIA É CICLADA
Energia e ecossistemas
• Ciclagem de matéria e fluxo de energia nos ecossistemas
• Carbono como moeda de troca e leis da termodinâmica
Ecossistemas
Eficiência ecológica
5-20% de energia transferida à níveis superiores
Energia é perdida a cada 
nível trófico
Trabalho dos organismos e 
ineficiência de 
transformação energética
Pirâmide de energia
Secondary
consumers
(perch)
10
100
1,000
10,000
Usable energy
available at
each tropic level
(in kilocalories)
Heat
Heat
Heat
Heat
Heat
Producers
(phytoplankton)
Tertiary
consumers
(human)
Primary
consumers
(zooplankton)
Decomposers
Toda energia vem de algum lugar
Quem produz a energia?
Se há uma ineficiência energética no 
processo, como solucionar esse problema?
Por que existem poucos tigres no mundo?
Produção primária
PP bruta = energia total 
assimilada
PP Líquida = energia disponível 
para os próximos níveis 
tróficos
Bruta – líquida = respiração = 
energia consumida
Variações de PP
Variações PP
Variações PP
Produtividade primária nas águas
Variações (aquáticos Vs. terrestres) 
Razões de acumulação de 
biomassa variam entre 
ecossistemas
Então
Energia se move nos 
ecossistemas em 
diferentes velocidades
Atmosfera
Biosphere
Crust
Lower mantle
Asthenosphere
Upper mantle
Continental
crust
Oceanic
crust
Litosfera
Vegetation
and animals
Soil
Rock
Crust (soil
and rock)
Atmosphere
(air)
Biosfera
(living and dead
organisms)
Lithosphere
(crust, top of upper mantle)
Hidrosfera
(water)
Core
Mantle
O que sustenta a vida na Terra
Ecologia compreender as 
interações nessa fina camada que 
mantém a vida na Terra
● Camadas interligadas
– Atmosfera
– Hidrosfera
– Litosfera
– Biosfera
O que sustenta a vida na Terra
● Fluxo direcional de energia
● Ciclo da matéria
● Gravidade
Fluxo de energia
Se a energia provida por oxidação é maior do que a capacidade da redução 
absorver = perda de energia = ineficiência energética
Solução: entrar mais energia para compensar as perdas = transformação 
da matéria
Ciclagem de matéria
• Ciclagem de nutrientes é um ponto crítico para manutenção da vida
• Identificar as entradas e saídas
• Ciclagem tende a ser maior que entradas e saídas
• Nutrientes ocorrem em compartimentos
• Atmosfera, litosfera, biosfera, hidrosfera
• Fluxo de elementos entre compartimentos
• Mudanças nas formas da matéria
• Processos físicos e biológicos
Ciclos biogeoquímicos
• Relacionam os diferentes compartimentos e possuem seus próprios 
compartimentos
• Compartimentos de reserva
• Geralmente lentos e não biológicos
• Compartimentos de ciclagem
• Rápidos e biológicos
• Circula mais rapidamente entre compartimentos
Água liga diferentes 
ambientes e 
compartimentos
Nutrientes nos ecossistemas
• Ecossistemas terrestres
– Nutrientes regenerados são facilmente recuperáveis
– Circulação através de detritos e papel de microrganismos 
– Principalmente metabolismo aeróbico
• Ecossistemas aquáticos
– Sedimentos são a fonte última
– Sedimentos longe das áreas de maior produção primária
– Muito metabolismo anaeróbico
Nutrientes e ecossistemas terrestres
-Três compartimentos 
principais: solo, biomassa 
vegetal e detritos
- Intemperização e atmosfera 
adicionam nutrientes 
inorgânicos e escoamento 
superficial remove
- Como medir isso?
Nutrientes e ecossistemas aquáticos
• Matéria orgânica acumula em camadas profundas
• Lenta transferência de nutrientes para a zona de 
produtiva
• Diferenças no papel dos sedimentos na água
– Plantas aquáticas e algas assimilam nutrientes na zona 
fótica, longe dos sedimentos
– Sedimentos aquáticos em ambientes com pouco O2
– Maior lentidão nas transformações bioquímicas
– Alta sedimentação de nutrientes e imobilização
Ciclo hidrológico
• Maior movimento de uma substância química
• Relação entre evaporação e precipitação
– Energiasolar realiza a evaporação
– Transfere energia dos trópicos para os polos
– Distribuição da precipitação afeta plantas
• Se precipitação > evapotranspiração
– Escoamento superficial
– Intemperismo
Ciclo hidrológico
• Oceanos são o maior compartimento
– Tempo de residência varia entre oceanos
• Criosfera
• Solos e zonas de enraizamento
• Lençóis freáticos
• Atmosfera (compartimento frágil)
• Evapotranspiração
• Matéria viva (Carbono e água)
Ciclo do carbono
• Sol também é a força motriz
• Sistemas aquáticos e terrestres
• Três classes de processos de ciclagem:
– Reações assimilativas e dissociativas (fotossíntese e respiração)
– Trocas de CO2 entre atmosfera e oceanos
– Precipitação de sedimentos e carbonatos nos oceanos
Troca oceano-atmosfera
• Trocas físicas de CO2 entre atmosfera e água
• Oceanos contem 50x mais CO2 do que a atm
– Tende a ser constante
– Estoques de CO2
– Ações humanas
Troca ar-água conecta 
ambientes terrestres e 
aquáticos
Solubilidade do CO2 em H2O
• CO2 é 30x mais solúvel em água do que O2 e sua difusão é mais rápida 
também
• CO2 no ar seco = 0,03%
• 0,3 ml CO2 / L de água (ácido carbônico)
• Fatores que afetam a solubilidade do CO2
– Concentração de CO2 no ar
– Temperatura
– Química dos oceanos que é afetada por processos biológicos
• Concentração de bicarbonato HCO3
-
Solubilidade do CO2 em H2O
Precipitação de carbonatos
• Exclusivamente em sistemas aquáticos
• Dissolução do carbono e deposição de sedimentos de 
carbonato
– Processo muito lento e de longo prazo
– Rochas sedimentares
• Papel dos rios
Ciclo do carbono (marinho)
Diffusion between
atmosphere and ocean
Carbon dioxide
dissolved in
ocean water
Marine food webs
Producers, consumers,
decomposers, detritivores
Marine sediments, including
formations with fossil fuels
Combustion of fossil fuels
sedimentation
uplifting over 
geologic time
photosynthesis aerobic 
respiration
death, 
sedimentation
incorporation 
into sediments
Ciclo do carbono (terrestre)
Atmosphere
(most carbon is in carbon dioxide)
Terrestrial
rocks
Land food webs
Producers, consumers,
decomposers, 
detritivores
Peat,
fossil fuels
Soil water
(dissolved carbon)
Combustion
of fossil
fuels
volcanic action
photosynthesis
death, burial, compaction over geologic time
aerobic 
respiration
deforestaion
combustion of 
wood (for clearing 
land; or fuel)
weathering
leaching, 
runoff
Ciclo do carbono (terrestre): influência humana
High
projection
Low
projection
Ciclo do Nitrogênio
• Elemento essencial para a vida (N2)
– Maior repositório está no ar e é relativamente solúvel em água
– Ausente na rocha
• Descargas elétricas convertem N molecular em formas 
assimiláveis pelas plantas
– Maior parte = fixação biológica do nitrogênio
• N pode assumir várias formas oxidadas e reduzidas
Ciclo do nitrogênio
Gaseous Nitrogen (N2)
in Atmosphere
Nitrogen
Fixation
by industry
for agriculture
Food Webs
on Land
Fertilizers
uptake by
autotrophs
excretion, death,
decomposition
uptake by
autotrophs
Nitrogenous Wastes,
Remains in Soil
NO3
–
in Soil
NO2
–
in Soil
loss by
leaching
1. Nitrification
bacteria convert NH4
+
to nitrite (NO2
–)
2. Nitrification
bacteria convert NO2
–
to nitrate (NO3
–)
Ammonification
bacteria, fungi convert the
residues to NH3; this
dissolves to form NH4
+
NH3, NH4
+
in Soil
loss by
leaching
Nitrogen Fixation
bacteria convert N2 to
ammonia (NH3); this
dissolves to form
ammonium (NH4
+)
Denitrification
by bacteria
Fixação do nitrogênio
• Perda por desnitrificação é compensada pela fixação (bactérias 
fixadoras)
Ciclo do nitrogênio: influência humana
Nitrogen fixation by natural processes
Nitrogen fixation
Zonas hipóxias
• Falta de mistura vertical e muita entrada de nutrientes
Quais são e como utilizamos as fontes de energia disponíveis?
Será que o ciclo é fechado, como na natureza, ou é linear?
Quais as consequências disso?