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Prof Esp Lucas Manoel UNIVERSIDADE DO ESTADO DO PARÁ CENTRO DE CIÊNCIAS SOCIAIS E EDUCAÇÃO CURSO DE LICENCIATURA PLENA EM CIÊNCIAS NATURAIS DINÂMICA E INTERAÇÃO DOS SERES VIVOS EM SEUS AMBIENTES INTRODUÇÃO À DINÂMICA E INTERAÇÃO DOS SERES VIVOS EM SEUS AMBIENTES Conceição do Araguaia-PA 2014 Ecologia Ernst Haeckel (1866) - “ciência capaz de compreender a relação do organismo com o seu ambiente”. Burdon-Sanderson (1893) - “a ciência que se ocupa das relações externas de plantas e animais entre si e com as condições passadas e presentes de suas existências”. Tansley (1904) - “aquelas relações de plantas, com seu entorno e entre elas, que dependem diretamente de diferenças de habitat entre as plantas”. Elton (1927) - “ principalmente relacionada com o que pode ser chamado de sociologia ou ecologia de animais, e não com a estrutura e outras adaptações que eles apresentam”. Ecologia Andrewarta (1961) - “o estudo científico da distribuição e abundância de organismos”. Krebs (1972) - “o estudo científico das interações que determinam a distribuição e abundância de seres vivos”. Ricklefs (1973) - “estudo do ambiente natural, particularmente as relações entre organismos e suas adjacências”. “o estudo científico da distribuição e abundância de organismos e das interações que determinam a distribuição e abundância”. Energia → átomos → moléculas → células → tecidos → órgãos → sistemas → espécies → populações → comunidades → ecossistemas → biomas → biosfera Figura 1. Níveis de organização biológica Espécie - dois ou mais organismos são considerados da mesma espécie, quando podem se reproduzir, originando descendentes férteis; Populações - são formadas por organismos da mesma espécie; Comunidades - um conjunto de todas as populações, sejam elas de microorganismos, animais ou vegetais existentes em uma determinada área, constituem uma comunidade;. Níveis de organização biológica Ecossistemas - um conjunto de comunidades interagindo entre si e agindo sobre e/ou sofrendo a ação dos fatores abióticos. Uma unidade integrada, consistindo de plantas e animais que interagem e cuja existência depende da manutenção de estruturas e funções bióticas e abióticas. O conjunto clima, solo, bactérias, fungos, plantas e animais, juntos em qualquer lugar, forma o ecossistema (Pires-O’Brien & O’Brien 1995). Energia → átomos → moléculas → células → tecidos → órgãos → sistemas → espécies → populações → comunidades → ecossistemas → biomas → biosfera Figura 1. Níveis de organização biológica Níveis de organização biológica • Os ecossistemas ou sistemas ecológicos podem ser tão pequenos quantos os organismos individuais ou tão grandes quanto a biosfera inteira • Pode ser um organismo, uma população, um conjunto de populações vivendo juntos (Comunidade), um ecossistema ou a biosfera inteira da Terra Sistema ecológico • Cada sistema ecológico menor é subconjunto de um próximo maior, e assim diferentes tipos de sistemas ecológicos formam uma hierarquia de tamanhos. • Organismo: unidade mais fundamental da ecologia • Nenhum órgão, célula ou molécula tem a vida separada do ambiente (exceto bactérias e protistas unicelulares) População é formada de muitos organismos individuais, uma comunidade compreende muitas populações que interagem, um ecossistema representa a conexão de muitas comunidades através de seu uso de recursos de energia e nutrientes e a biosfera compreende todos os ecossistemas da Terra. Figura 2. Ecossistema de mangue Sistema ecológico • Todos os ecossistemas estão interligados juntos numa única biosfera, que inclui todos os ambientes e organismos da Terra. • A biosfera é o sistema ecológico final. • Exceto pela energia que chega do Sol e pelo calor perdido para as profundezas do espaço, todas as transformações da biosfera são internas. • Temos aqui todos os materiais que teremos pra sempre, nossos rejeitos não tem nenhum lugar pra ir, e devem ser reciclados dentro da biosfera. Sistema ecológico Sistema ecológico Diferentes partes da biosfera estão unidas pelo movimento do ar, da água e de organismos Sistema ecológico Os conceitos de ecossistema e biosfera enfatizam a transformação da energia e a síntese e decomposição dos materiais. Os sistemas ecológicos como máquinas físicas e laboratórios químicos. • Dentro do conceito de ecossistema, ainda cabe definirmos o conceito de hábitat, pelo qual entendemos o ambiente físico o qual ocorre(m) uma(s) determinada(s) espécie(s); o lugar de um organismo na natureza. • As plantas, os animais e os microorganismos representam diferentes papéis nos sistemas ecológicos. Nicho define o papel funcional dos organismos. O estudo da natureza de várias perspectivas diferentes Sistemas ecológicos tem estruturas e processos únicos. Nível hierarquia Cada nível deu origem a uma abordagem diferente ao estudo da Ecologia. Todas as abordagens têm interconexões (sobreposição). Estas são as cinco abordagens para o estudo da ecologia. Embora cada abordagem se relacione a um nível diferente na hierarquia dos sistemas ecológicos, eles são retratados num único plano de indagação científica, com cada abordagem interagindo com as outras em graus variados. Abordagem de organismo - A Ecologia enfatiza o modo pelo qual a forma, a fisiologia e o comportamento de um indivíduo o ajudam a sobreviver no seu ambiente. Busca compreender por que a distribuição de cada tipo de organismo é limitada a alguns ambientes e não a outros Ex: Plantas dominantes do ambientes quentes e úmidos são árvores, enquanto as regiões com invernos frios e úmidos e verões quentes e secos tipicamente sustentam arbustos com folhas pequenas e duras. “Por que organismos aparentados que vivem em diferentes ambientes tem aparências de características diferentes.” O estudo da natureza de várias perspectivas diferentes Ecólogos que usam a abordagem de organismo Interessados em estudar as adaptações dos organismos aos seus ambientes. As adaptações são modificações de estrutura e função que melhor ajustam o organismo para viver em seu ambiente. Ex: Função renal, Coloração críptica, Folhas moldadas (polinização). As adaptações são o resultado da mudança evolutiva pela seleção natural. À evolução ocorre através da substituição de um tipo de organismo por outro dentro de uma população. Estudo das adaptações representa um ponto de sobreposição entre as abordagens de organismo e de população na Ecologia. O estudo da natureza de várias perspectivas diferentes Abordagem de organismo Adaptações representa um ponto de sobreposição entre as abordagens de organismo e de população na Ecologia. Abordagem de população - se preocupa com os números de indivíduos e suas variações através do tempo, incluindo mudanças evolutivas dentro das populações. Variações em números - nascimentos e mortes numa população. Podem ser influenciadas - Condições físicas do ambiente Temperatura Disponibilidade de água. Processo da evolução - mutações genéticas podem alterar as taxas de nascimento e morte, novas linhagens de indivíduos podem se tornar comuns numa população e sua composição genética global pode mudar. Outros tipos de organismos, como itens de alimentação, patógenos e predadores, também influenciam os nascimentos e as mortes de indivíduos numa população. As interações entre diferentes tipos de organismos são o ponto comum das abordagensde população e comunidade. O estudo da natureza de várias perspectivas diferentes Adaptações representa um ponto de sobreposição entre as abordagens de organismo e de população na Ecologia. As interações entre diferentes tipos de organismos são o ponto comum das abordagens de população e comunidade Abordagem de comunidade - Focaliza a compreensão a diversidade e abundâncias relativas de diferentes tipos de organismos vivendo juntos no mesmo lugar. Concentra-se nas interações entre as populações, que tanto promovem quanto limitam a coexistência de espécies. Estas interações incluem relações de alimentação. Responsáveis pelo movimento de energia e matéria dentro do ecossistema. Proporcionando uma conexão entre as abordagens de comunidade e de ecossistema. O estudo da natureza de várias perspectivas diferentes Adaptações representa um ponto de sobreposição entre as abordagens de organismo e de população na Ecologia. As interações entre diferentes tipos de organismos são o ponto comum das abordagens de população e comunidade Relações de alimentação responsáveis pelo movimento de energia e matéria dentro do ecossistema Abordagem de ecossistema - Descreve os organismos e suas atividades em termos de "moedas" comuns (energia e elementos químicos essenciais à vida). O estudo de ecossistemas lida com o movimento de energia e matéria no ambiente (solo, na atmosfera e na água). E como estes movimentos são influenciados pelo clima e outros fatores físicos do ambiente. Assim, as atividades de organismos tão diferentes quanto bactérias e pássaros podem ser comparadas pela descrição das transformações de energia de uma população em unidades como watts por metro quadrado de habitat. O estudo da natureza de várias perspectivas diferentes Adaptações representa um ponto de sobreposição entre as abordagens de organismo e de população na Ecologia. As interações entre diferentes tipos de organismos são o ponto comum das abordagens de população e comunidade Relações de alimentação responsáveis pelo movimento de energia e matéria dentro do ecossistema Movimento de energia e matéria no ambiente e como estes movimentos são influenciados pelo clima e outros fatores físicos do ambiente Abordagem da biosfera - trata dos movimentos de ar e de água, e da energia e os elementos químicos que eles contêm, na superfície da Terra. As correntes dos oceanos e os ventos carregam o calor e a umidade que definem os climas em cada ponto da Terra. Governam as distribuições de organismos, as dinâmicas das populações, a composição de comunidades e a produtividade dos ecossistemas. O estudo da natureza de várias perspectivas diferentes Adaptações representa um ponto de sobreposição entre as abordagens de organismo e de população na Ecologia. As interações entre diferentes tipos de organismos são o ponto comum das abordagens de população e comunidade Relações de alimentação responsáveis pelo movimento de energia e matéria dentro do ecossistema Movimento de energia e matéria no ambiente e como estes movimentos são influenciados pelo clima e outros fatores físicos do ambiente Correntes dos oceanos e os ventos definem os climas no planeta, governando as distribuições de organismos, as dinâmicas das populações, a composição de comunidades e a produtividade dos ecossistemas Os diferentes papéis nos sistemas ecológicos Os diferentes tipos de organismos têm diferentes funções nos sistemas naturais. Os diferentes papéis nos sistemas ecológicos As bactérias fotossintetizadoras em alguns dos ecossistemas primordiais produziram oxigênio como subproduto quando assimilaram dióxido de carbono. O resultante aumento na concentração de oxigênio na atmosfera e nos oceanos. Permitiu a evolução de formas de vida móveis e complexas com altas demandas metabólicas, que têm dominado a Terra nos últimos 500 milhões de anos. As características dos ecossistemas modernos dependem das atividades de muitas formas variadas de vida Com cada grupo maior preenchendo um único e necessário papel na biosfera. Os diferentes papéis nos sistemas ecológicos A concentração de oxigênio na atmosfera tem aumentado desde o surgimento da vida na Terra Plantas - usam a energia da luz do Sol para produzir matéria orgânica Todos os sistemas ecológicos dependem da transformação de energia. Para a maioria dos sistemas, a fonte de energia em última instância é a luz do Sol. Plantas usam a energia solar para sintetizar moléculas orgânicas a partir do dióxido de carbono e da água. A maioria das plantas tem estruturas com grandes superfícies de exposição - suas folhas - para capturar a energia solar. Os diferentes papéis nos sistemas ecológicos As epífitas aéreas formam ecossistemas inteiros. Estas plantas crescem bem acima do solo sobre os galhos das árvores em florestas pluviais tropicais. Os diferentes papéis nos sistemas ecológicos Animais - Alimentam-se de outros organismos ou de seus restos O carbono orgânico produzido pela fotossíntese proporciona alimento, direta ou indiretamente, para o resto da comunidade ecológica. Alguns animais consomem plantas; alguns consomem animais que comem plantas; outros consomem os restos mortais de plantas ou animais. Os animais e as plantas diferem em muitos aspectos importantes. Fontes de energia. As superfícies para trocar substâncias são internas. Não precisarem capturar luz como fonte de energia As superfícies de troca estão contidas dentro do corpo. Ex: pulmões humanos (área superficial de ca. de 100 m2). Os diferentes papéis nos sistemas ecológicos As plantas obtêm sua energia do Sol e os animais obtêm sua energia das plantas. Um mamífero pastador na vegetação em uma savana no leste da África enfatiza a diferença fundamental entre as plantas, que assimilam a energia solar e convertem o dióxido de carbono atmosférico em compostos orgânicos de carbono Animais, que obtêm sua energia em última instância da produção das plantas. Os diferentes papéis nos sistemas ecológicos Fungos - são decompositores altamente eficientes. Os fungos assumem papéis únicos no ecossistema devido à sua forma distinta de crescimento. A maioria dos fungos são organismos multicelulares (levedos) Fungo cresce a partir de um esporo microscópico sem passar pelo estágio embrionário. A maioria dos organismos fúngicos é feita hifas. Hifas podem formar uma rede solta, que pode invadir os tecidos Penetram profundamente – decomposição da matéria. Tornando muitos dos nutrientes contidos, na materia, disponíveis novamente. Os diferentes papéis nos sistemas ecológicos Os fungos são decompositores efetivos de madeira e outras matérias orgânicas mortas. Os cogumelos são corpos de frutificação produzidos por uma grande massa de hifas filiformes, mostradas aqui em um fungo livre que se desenvolveu em folhas caídas de serapilheira. Os corpos frutificados se estendem para cima e à direita nesta fotografia. Os diferentes papéis nos sistemas ecológicos Protistas - são os ancestrais unicelulares das formas de vida mais complexas Grupo altamente diverso - Maioria unicelular Algas, os mofos-de-lodo e protozoários. Algas - São os principais organismos fotossintetizadores na maioria dos sistemas aquáticos. Os outros membros deste grupo não são fotossintetizadores. Foraminíferos e radiolários - se alimentam de pequenas partículas de matéria orgânica e que secretam conchas de calcita ou silicato. Alguns dos protozoários ciliados são predadoreseficientes - sobre outros microorganismos, naturalmente. Os diferentes papéis nos sistemas ecológicos A integridade do habitat de floresta de kelp depende da presença de lontras marinhas. A floresta de kelp provê área de alimentação e refúgio para muitas espécies de peixes e invertebrados. As lontras marinhas comem ouriços que de outra forma destruiriam as kelps jovens. Os diferentes papéis nos sistemas ecológicos Bactérias - têm uma ampla variedade de mecanismos bioquímicos para as transformações energéticas São os especialistas bioquímicos do ecossistema. Consiste numa célula simples e única, sem um núcleo e cromossomos para organizar o seu DNA. No entanto, a enorme quantidade de capacidades metabólicas das bactérias as capacita a executar muitas transformações bioquímicas únicas. Ex: Assimilar o nitrogênio (sintetizar proteínas e ácidos nucléicos) Usar compostos inorgânicos como o sulfeto de hidrogênio (H2S) como fonte de energia. Muitas bactérias vivem sob condições anaeróbicas. Os diferentes papéis nos sistemas ecológicos As bactérias são distinguidas por suas estruturas simples. Elas não apresentam membranas e organelas intracelulares. Esta bactéria Salmonella typhimurium, que é parasita de intestino de muitos animais, foi fotografada no ato de divisão. O material consistente de cor laranja no centro das células é o DNA. O aumento é de cerca de 15.000 vezes. Muitos tipos de organismo cooperam na Natureza Devido a cada tipo de organismo ser especializado numa forma particular de vida, não causa surpresa que haja muitos tipos diferentes de organismos que vivem juntos em associação próxima, formando uma simbiose. Nestas relações, cada parceiro proporciona algo que o outro não possui. Alguns exemplos familiares incluem os liquens, que compreendem um fungo e uma alga num único organismo (l Fig. 1.11); as bactérias que fermentam material vegetal nos intestinos das vacas; Um líquen é uma associação simbiótica de um fungo e uma alga verde. Foto de R. E. Ricklefs Muitos tipos de organismo cooperam na Natureza Componentes dos ecossistemas • Abióticos (não-vivos) e bióticos (vivos). • Deste ponto de vista ele ainda pode ser definido como sendo “complexo de organismos interagindo com seu ambiente abiótico”. • Os sistemas ecológicos são governados por princípios gerais físicos, químicos e biológicos • Ao longo de suas vidas os organismos transformam energia e processam materiais. • Para tal necessitam de energia e nutrientes de seus arredores e depois se livram dos rejeitos indesejados. • Fazendo isso mudam o ambiente e os recursos energéticos para outros organismos, contribuindo para o fluxo de energia e para o ciclo de elementos no mundo natural. • Dois dos principais fatores abióticos dos ecossistemas são o fluxo energético e o ciclo biogeoquímico. • O ciclo biogeoquímico segue o fluxo energético dos componentes bióticos dos ecossistemas ao longo das cadeias alimentares (produtores → consumidores → decompositores → produtores →...). •Entende-se por energia como a capacidade de realizar trabalho (Odum 1988, Raven et al. 2001). Para se compreender como a energia flui ao longo dos componentes de um ecossistema é necessário conhecer duas leis relacionadas a esse fenômeno: As Leis da termodinâmica. •1ª Lei da Termodinâmica ou Lei da conservação da energia A energia pode ser transformada de um tipo em outro, mas não pode ser criada ou destruída. • 2ª Lei da Termodinâmica ou Lei da entropia Nenhum processo que implique uma transformação de energia ocorrerá espontaneamente, a menos que haja uma degradação da energia de uma forma concentrada para uma forma dispersa. Ex: Calor de um objeto quente para um frio (nunca o inverso). • Uma população consiste em muitos organismos da mesma espécie vivendo juntos. • Diferem-se dos organismos porque possuem capacidade de permanecer na biosfera indeterminadamente pelo fato de novos indivíduos substituírem aqueles que morrem. • Propriedades das populações: Fronteiras geográficas, densidades, e variações no tamanho e composição. Ex.: Respostas evolutivas às mudanças ambientais. • O mundo natural pode variar de acordo como tempo e espaço. • A forma como os organismos e suas populações respondem às modificações nos seus ambientes depende da variação em escala temporal. • Cada organismo responde de uma determinada forma frente a uma certa variação de tempo. – variações climáticas ao longo do anos; – duração dos dias e das noites, – período seco e chuvoso, etc. • Os ecossistemas diferem de lugar para lugar em função de variações no clima, topografia, tipo de solo, vegetação, atividade de animais, etc. • Assim, os organismos podem também responder à determinadas variações em escala espacial. • Permanência de determinado organismo em um dado período e lugar está condicionada a sua adaptação (Pires-O’Brien & O’Brien 1995). • Muitas populações de diferentes tipos que vivem no mesmo local forma uma comunidade ecológica, que interagem de várias formas. • As interações dentro da comunidade se processam pelas relações bióticas que vão definir o número de indivíduos em uma população. • Em ecologia estuda-se além das interações, as adaptações dos organismos ao seu meio ambiente. • As adaptações são modificações de estrutura e de função que melhor ajustam o organismo para viver em seu ambiente e são resultados das mudanças evolutivas feitas pela seleção natural. • Adaptação está relacionada com a produção de caracteres ou combinação de caracteres superiores, voltados à sobrevivência do indivíduo e ao seu sucesso reprodutivo. • A seleção é o processo que leva à adaptação dos organismos em um determinado local em um espaço de tempo. E quando se fala em adaptação, seleção natural, ambiente, etc. estamos falando em evolução. Darwin Wallace Diversidade Biológica ou biodiversidade é um termo lançado por Wilson e Peter (1988), segundo o art. 2º da Convenção da Diversidade Biológica é definida como “a variabilidade entre organismos vivos de qualquer origem incluindo, entre outros, ecossistemas terrestres, marinhos e outros ecossistemas aquáticos, e os complexos ecológicos de que fazem parte; isto inclui diversidade dentro de espécies, entre espécies e de ecossistemas”. Diversidade dentro de espécies: abrange toda a variação entre indivíduos de uma população, bem como entre populações espacialmente distintas da mesma espécie. Equivalente a diversidade genética. Diversidade entre espécies: variedade de espécies existentes em algum tipo de ambiente ou em uma região definida, de tamanho maior ou maior. Diversidade de ecossistemas: está correlacionada com a diversidade de fisionomias de vegetação, de paisagens ou de biomas. Reino Brasil Mundo Vírus 250-400 3.600 Monera 1.100-1.350 4.760 Fungi 12.500-13.500 70.500-72.000 Stramenopila 141 760 Protista 7.000-9.900 75.300 Plantae 45.300-49.500 264.000-279.400 Animalia 113.000-151.000 1.287.000-1.330.000 Invertebrados 107.000-145.000 1.236.000-1.287.000 Cordados 6.200 41.400-42.200 Total 179.000-226.000 1.706.000-1.766.000 Tabela 1: Estimativa de espécies conhecidas no Brasil Fonte: Lewinsohn e Prado (2004) Classificação Sendo o mundo vivo constituído por uma enorme variedade de organismos, para estudar e compreender tamanha variedade, foi necessário agrupar os organismos de acordo com as suas características comuns, ou seja, classifica-los. Lineu Aristóteles Teofrastus O que é a sistemática?É o estudo científico da diversidade biológica e sua história evolutiva (Raven et al (2001) O que é a taxonomia? Constitui todo o processo de de identificação, atribuição de nomes e classificação das espécies. O que estudar na taxonomia? Conhecer as várias plantas do globo, nomes, diferenças e afinidade, localização de habitats característicos, etc. • O objetivo do estudo da classificação é, precisamente, compreender a diversidade da vida, numa perspectiva evolutiva. • Qualquer sistema de classificação, biológico ou não, envolve dois tipos de procedimentos: – Observação, definição e descrição dos elementos a ser classificados, para descoberta das suas diferenças e semelhanças; – Agrupamento dos elementos num esquema de classificação. • Geralmente classifica-se os organismos vivos com base em semelhanças, sejam elas morfológicas, de modo de vida, de utilidade prática, periculosidade para o Homem, etc.
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