1119390 Aula 04 – Energia nos ecossistemas

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Aula 04 – Energia nos ecossistemas 
Energia: definições básicas 
 Energia: É a capacidade de realizar trabalho. Esta capacidade 
pode se manifestar sob várias formas: radiação 
eletromagnética, energia potencial, energia cinética, energia 
química (dos alimentos) e calor. 
 
 
 1ª Lei da Termodinâmica: (Conservação da energia) A energia 
pode ser transformada de um tipo em outro, mas não pode ser 
criada nem destruída. 
 Exemplos destas transformações: luz em calor, energia 
potencial em cinética. 
Energia: definições básicas 
 
 2ª Lei da Termodinâmica: (Lei da Entropia) Nenhum processo 
que implique numa transformação energética ocorrerá 
espontaneamente, a menos que haja uma degradação de 
energia de uma forma concentrada numa forma mais dispersa 
(ou desorganizada). 
 
 Assim sendo, nenhuma transformação de energia é 100% 
eficiente. 
 
 A entropia é uma medida de energia não disponível, que 
resulta das transformações energéticas. Sua variação é sempre 
positiva em qualquer transformação 
Energia nos organismos vivos 
 Os organismos vivos possuem uma característica 
termodinâmica essencial: eles conseguem criar e 
manter um alto grau de ordem interna, ou uma 
condição de baixa entropia, que é obtido através 
de processos biológicos contínuos e eficientes de 
dissipação energética. 
O ambiente energético da biosfera 
 A luz solar que atinge o topo da biosfera iluminada terrestre 
chega a uma taxa constante, a chamada constante solar (1.94 
cal/cm2.min). Um máximo de 67% da constante solar (~ 1.34 
cal/cm².min) pode atingir a superfície terrestre. 
 
 A radiação solar sofre consideráveis modificações qualitativas e 
quantitativas ao atravessar a atmosfera terrestre. Tais 
modificações são influenciadas por vários fatores dentre eles a 
topografia, a latitude, o clima bem como composição gasosa da 
atmosfera. 
 
 H2O e CO2 absorvem ativamente a radiação na faixa do infra-
vermelho. 
 
 A fonte de energia básica para os seres vivos reside na 
oxidação de moléculas orgânicas, chamadas 
genericamente de alimento. 
 
 Dessa forma a obtenção de energia acaba se confundindo 
com a obtenção dessas moléculas orgânicas. 
 
 heterótrofos: incapazes de sintetizar compostos orgânicos a 
partir de compostos inorgânicos (N2, P, S, CO2 e H2O), por 
isso toda a vida nesse planeta depende dos autótrofos 
(vegetais, algas, cianobactérias e bactérias foto e 
quimiossintetizantes). 
Energia e Matéria nos 
ecossistemas 
 A energia no ecossistema 
 
 Produção total de biomassa vegetal seca sobra a 
superfície da Terra ~ 224 bilhoes de toneladas/ano 
 
 59% produzidos em ambientes Terrestres 
 
 Dentro dos 59% → 40% utilização humana 
 
 Apenas 10% da energia passam de um nível trófico para 
o outro. 
A matéria circula 
A energia disponível 
 ENERGIA NO ECOSSISTEMA 
 
 PRIMEIRA METADE DO SÉCULO XX: 
◦ Percepção de que as relações alimentares reúnem os organismos 
em uma única entidade funcional 
 
 CHARLES ELTON (1920): organismos que vivem num mesmo lugar 
não apenas apresentam tolerâncias semelhantes aos fatores físicos no 
ambiente, mas também interagiam uns com os outros e, o mais importante, o 
fazem de forma sistemática de relações alimentares que chamou de teia 
alimentar. 
 
 Relações alimentares como unidade ecológica 
 TANSLEY: 
 
 considerou animais e plantas, junto com os fatores físicos de seu 
entorno como sistemas ecológicos, e chamou esse conceito de 
ecossistema. 
 
 Ele visualizou os componentes biológicos e físicos da 
natureza juntos, unificados pela dependência dos animais e 
plantas em seus ambientes físicos e por suas contribuições para 
a manutenção das condições e composição do mundo 
físico. 
 ALFRED LOTKA (QUÍMICO): 
 
 primeiro a considerar as populações e comunidades como 
sistemas transformadores de energia. 
 
 Sugeriu que cada sistema pode ser descrito a princípio por um 
conjunto de equações que representam trocas de matéria e 
energia entre seus componentes. 
 
 Essas trocas incluem a assimilação de CO2 carbono em 
compostos orgânicos de carbono pelas plantas, o consumo das 
plantas pelos herbívoros, e o consumo dos animais pelos 
carnívoros. 
 
 Tamanho do sistema e as taxas de transformações de energia 
e matéria dentro dele obedeciam a certos princípios 
termodinâmicos. 
 ALFRED LOTKA X EFICIÊNCIA 
 RAYMOND LINDEMAN (1942): 
 
 Cadeia alimentar: sequência de relações tróficas pelas 
quais a energia passa através do ecossistema 
 
 Níveis tróficos: elos da cadeia alimentar 
 
 Pirâmide de energia: menos energia alcançando 
sucessivamente cada nível trófico superior 
Largura da barra: produtividade líquida de um nível trófico no ecossistema 
Cadeias Alimentares: 
 
Distribuição da energia nos ecossistemas 
Fluxo de energia pelos níveis tróficos: 
 
 Leis da Termodinâmica na cadeia alimentar 
■ E diminui a cada nível trófico 
 
■ Quanto maior a distância do nível trófico à fonte 
primária de E, menor o número de indivíduos dos 
constituintes deste nível 
Energia e fluxo de Matéria Orgânica 
C02 Biomassa 
Níveis tróficos 
Níveis tróficos 
Níveis tróficos 
Matéria 
Orgânica 
(C-org) 
Minerais 
Energia 
1. Fotossíntese e Quimiossintese 
2. Cadeia Alimentar 
3. Decomposição 
4. Respiração/Mineralização Aeróbia 
5. Respiraçao anaeróbia (Metanogênse) 
1 
2 
3 
4 
4 
CH4 5 
Pirâmides ecológicas 
Pirâmide de números 
 Considere uma lagoa que apresenta a 
seguinte cadeia alimentar: 
Pirâmide Direta 
Pirâmide de números: Pode 
ocorrer inversão 
Pirâmide invertida 
Pirâmide de biomassa 
 A biomassa é expressa em termos de quantidade de matéria 
orgânica por unidade de área, em determinado momento. 
 
 Para calcular a biomassa de produtores em um campo de 
gramíneas, determina-se uma área, que pode ser de 1 m², e 
coleta-se toda a vegetação dessa área. 
 
 A seguir coloca-se o material coletado em uma estufa para secar 
e posteriormente em uma balança. 
 O peso seco por unidade de área, representa a biomassa do 
campo, que pode ser expressa em g/m² ou em kg/m². 
Pirâmide de energia 
Pirâmide de energia 
 ECOLOGIA DE ECOSSISTEMAS (1950): 
 
 Reciclagem de matéria e o fluxo de energia num 
ecossistema a ela associado proporcionavam a base 
para a caracterização da estrutura e função daquele 
sistema. 
 
 Energia e matéria residentes transferidas entre os 
seres 
 
 Os ecólogos começaram a medir o fluxo de 
energia e reciclagem de nutrientes. 
 EUGENE P. ODUM (1953) 
 Universidade de Georgia “Fundamentals of Ecology” 
 
 Diagramas de fluxo de energia 
 
 A energia passa de um ele para outro diminuindo (respiração, 
desvio de estoques alimentares para os detritívoros). 
 
 Nutrientes regenerados e retidos no sistema (matéria circula 
no sistema através de transformações). 
 
 Importância dos ciclos dos elementos (relacionamento com a 
energia e facilidade de acompanhamento dos ciclos). 
 
 Quantidades de nutrientes podem regular a produção de 
biomassa. 
 
 
Odum (1953) retratou os ecossistemas como diagramas de fluxo de energia 
Ecossistema: definições 
 Eugene P. Odum (1953): retratou os ecossistemas 
como diagramas de fluxo de energia. 
Definição de ecossistema muito usada em Ecologia: 
 qualquer unidade que inclua a totalidade dos 
organismos (comunidades) de uma área 
determinada, que atuamem reciprocidade com o 
meio físico de modo que uma corrente de energia 
conduza a uma estrutura trófica, a uma diversidade 
biótica e a ciclos biogeoquímicos (Odum, 1977). 
 
Ecossistema: aspectos estruturais 
 substâncias inorgânicas 
 substâncias orgânicas 
 clima 
 substrato físico (sólido, líquido e gasoso) 
 componentes bióticos 
 produtores 
 consumidores 
 predadores 
 decompositores 
Ecossistema: aspectos funcionais 
 fluxo de energia 
 cadeias de alimentos 
 Diversidade 
 ciclos de nutrientes 
 sucessão e evolução 
 Controle 
Fluxo de energia 
 
 Produção primária: plantas, algas e bactérias captam 
energia luminosa e a transformam em energia de 
ligações químicas nos carboidratos. 
 
 Produtividade primária: taxa quantificada 
 
6 CO2 + 6 H2O  C6H12O6 + 6 O2 
 
 A fotossíntese transforma o carbono de um estado 
oxidado (de baixa energia) para um reduzido (de alta 
energia) nos carboidratos 
Fluxo de energia 
 
 Produção primária 
 Os pigmentos que captam a energia da luz para a 
fotossíntese na verdade absorvem apenas uma 
pequena fração da radiação solar total incidente. 
 
 Entretanto, as plantas assimilam não mais do que 
um terço da energia luminosa absorvida pelos 
pigmentos fotossintéticos. O restante é perdido em 
calor. 
 
 A fotossíntese supre os carboidratos e a energia de 
que uma planta precisa para construir tecidos e 
crescer. 
 
 
 Reorganizadas e reunidas, as moléculas de glicose se 
transformam em gorduras, amidos, óleos e celulose. 
 
 A glicose e outros compostos orgânicos (amidos e 
óleos, por exemplo) podem ser transportados através 
da planta ou armazenados como uma fonte de energia 
para futuras necessidades. 
 
 Combinados com o nitrogênio, o fósforo, o enxofre e o 
magnésio, os carboidratos simples derivados da 
glicose produzem um conjunto de proteínas, ácidos 
nucléicos e pigmentos. 
 
 
 As plantas não podem crescer a não ser que tenham todos 
esses materiais de construção básicos. 
 
 Por exemplo: o pigmento fotossintetizador clorofila contém um 
átomo de magnésio, então, sem magnésio, não há 
fotossíntese. 
 
 Produção primária bruta: energia total assimilada pela 
fotossíntese. 
 
 Produção primária líquida: energia acumulada nas plantas, e 
que portanto está disponível para os consumidores. 
 
 
A PRODUÇÃO PRIMÁRIA PODE SER MEDIDA 
PELAS TROCAS GASOSAS OU PELO 
CRESCIMENTO DAS PLANTAS 
 Em ecossistemas terrestres: Estima-se a produção líquida 
pela quantidade de biomassa vegetal produzida em um 
ano. 
 
 Produção anual pode ser estimada pelo corte, secagem e 
pesagem 
 
 Colocar as plantas em câmaras com CO2 controlado 
 
 Uso de equipamentos sofisticados e extrapolação para o 
restante das plantas (IRGA). 
 
 Uso do carbono 14 (radioativo). 
 Sistemas aquáticos: coleta (macroalgas) 
 Fitoplâncton : uso de garrafas seladas 
 
A PRODUÇÃO PRIMÁRIA PODE SER MEDIDA 
PELAS TROCAS GASOSAS OU PELO 
CRESCIMENTO DAS PLANTAS 
IRGA: Analisador de Gás no Infravermelho 
A PRODUÇÃO PRIMÁRIA PODE SER MEDIDA 
PELAS TROCAS GASOSAS OU PELO 
CRESCIMENTO DAS PLANTAS 
FATORES ABIÓTICOS QUE INTERFEREM NA PRODUÇÃO 
PRIMÁRIA 
 
 Luz e temperatura: A produção primária é sensível a variações 
desses fatores. 
 
 Eficiência fotossintética: Percentagem de energia na luz do sol 
que é convertida para a produção primária. 
 
 Quando H2O e nutrientes não são limitantes: Eficiência 
fotossintética é de apenas 1 a 2% 
 
 98-99% restantes? 
 * 25-75% refletidos 
 * Calor (absorção pelas moléculas) 
 * Transpiração 
 Fotossíntese e respiração aumentam com a temperatura mas tem 
T ótimas. 
 
FATORES ABIÓTICOS QUE INTERFEREM NA PRODUÇÃO 
PRIMÁRIA 
 
 
 
FATORES ABIÓTICOS QUE INTERFEREM NA 
PRODUÇÃO PRIMÁRIA 
 
 Água: A taxa de fotossíntese depende da 
disponibilidade de umidade do solo, da capacidade de 
uma planta tolerar a perda de água e da influência da 
temperatura do ar e da radiação solar sobre a taxa de 
transpiração. 
 
 Agrônomos: Resistência à seca como eficiência no uso 
de água (g biomassa/Kg de H2O transpirada). 
 
 Maioria das plantas: 2 g de produção por Kg de água 
transpirada. 
 
 
 
“INGREDIENTES” DA FOTOSSÍNTESE 
A FIXAÇÃO DE CO2 NAS PLANTAS C4 e CAM 
C4 CAM 
A FIXAÇÃO DE CO2 NAS PLANTAS C4 e CAM 
FATORES ABIÓTICOS QUE INTERFEREM NA PRODUÇÃO 
PRIMÁRIA 
 
 Nutrientes: Os fertilizantes estimulam o crescimento vegetal na 
maioria dos ambientes. 
 
 
 
FATORES ABIÓTICOS QUE INTERFEREM NA PRODUÇÃO 
PRIMÁRIA 
 
 Nutrientes: Os fertilizantes estimulam o crescimento vegetal na 
maioria dos ambientes. 
 E a contaminação?? Salinização dos solos? 
 
 
 
 
 
 
FATORES ABIÓTICOS QUE INTERFEREM NA PRODUÇÃO 
PRIMÁRIA 
 
 Salinização dos solos? 
 
 
 
 
 
 
http://www.unibas.it/desertnet/dis4me/land_uses/salinisation_risk
_tool_pt.htm 
Fatores abióticos que interferem na produção primária 
 
 Nutrientes: Limitam a produção fortemente nos ambientes 
aquáticos. 
 
 
 
A PRODUÇÃO PRIMÁRIA VARIA ENTRE OS ECOSSISTEMAS 
 
 A combinação favorável de grande insolação, temperatura 
quente, precipitação abundante e grande quantidade de 
nutrientes em algumas partes dos trópicos úmidos resulta na 
maior produtividade terrestre do planeta. 
 
 Ecossistemas temperados e árticos: baixas temperaturas e 
longas noites de inverno reduzem a produção. 
 
 Ecossistemas tropicais: maior produtividade. 
 
 Ecossistemas brejosos: grande produtividade. 
 
 Ecossistemas oceânicos: a escassez de nutrientes minerais 
limita a produtividade para um décimo daquela das florestas 
temperadas, ou até menos. 
 
 Ecossistemas de água doce: produtividade superior que 
oceanos. 
 
A PRODUÇÃO PRIMÁRIA VARIA ENTRE OS ECOSSISTEMAS 
 
 
 
A PRODUÇÃO PRIMÁRIA VARIA ENTRE OS ECOSSISTEMAS 
 
 
 
 
 
 A produtividade dos biomas de florestas aumenta com a latitude, 
produzindo uma tendência geral para ambientes terrestres e lagos. 
Para oceanos a produtividade aumenta com a proximidade ao 
continente. 
 
 
APENAS 5% A 20% DA ENERGIA PASSAM DE UM 
NÍVEL TRÓFICO PARA OUTRO 
 
 As plantas utilizam entre 15% e 70% da energia luminosa 
assimilada pela fotossíntese para manutenção, tornando, portanto, 
esta fração indisponível para os consumidores. 
 
 Os herbívoros e carnívoros são mais ativos do que as plantas e 
gastam correspondentemente mais de sua energia assimilada para 
manutenção. 
 
 Como resultado, a produção de cada nível trófico é tipicamente 
apenas de 5% a 20% daquela do nível inferior. 
 
 Eficiência ecológica: percentagem de energia transferida de um 
nível trófico para outro. 
 
 
 Nem todos os componentes do alimento são digeríveis: pêlos, 
penas, exoesqueletos de insetos, cartilagens e ossos, em alimentos 
de origem animal, assim como celulose e lignina, em alimentos de 
origem vegetal. 
 
 Essas substâncias podem ser defecadas ou regurgitadas. 
 
energia assimilada = energia ingerida - energia egestada 
 
produção = energia assimilada – respiração – excreção 
 
Partes não digeríveis 
 
 
APENAS 5% A 20% DA ENERGIA PASSAM DE UM 
NÍVEL TRÓFICO PARA OUTRO 
 
 
APENAS 5% A 20% DA ENERGIA PASSAM DE UM 
NÍVEL TRÓFICO PARA OUTRO 
 
 
APENAS 5% A 20% DA ENERGIA PASSAMDE UM 
NÍVEL TRÓFICO PARA OUTRO 
 
 
Eficiência de assimilação depende da digestibilidade da 
dieta 
 
 Eficiência ecológica: percentagem de energia transferida 
de um nível trófico para outro. 
 
 
 Eficiência de assimilação (EF): razão entre a assimilação 
e a ingestão, geralmente expressa como uma 
porcentagem. 
 
 
 O valor energético das plantas para os seus consumidores 
depende de sua qualidade alimentar ou quantidade de 
lignina, celulose e outros materiais não digeríveis que elas 
contem. 
 Herbívoros: EF de 80% da energia das sementes e de 60-
80% da vegetação jovem. 
 
 
 Pastadores (elefantes, gado, gafanhotos): EF de 30-40% 
 
 
 Milípedes (diplopoda, piolho de cobra) que se alimentam de 
celulose e lignina, têm apenas 15% de EF 
 
 
 Predadores: EF de 60-90% (alimentos de origem animal são 
mais facilmente digeridos do que os de origem vegetal). 
 
◦ Vertebrados são mais eficientemente digeridos que insetos 
(exoesqueleto constitui fração maior do corpo) 
◦ Insetívoros; EF de 70-80% 
OS ANIMAIS MAIS ATIVOS POSSUEM AS EFICIÊNCIAS 
DE PRODUÇÃO LÍQUIDA MAIS BAIXAS 
 
 Eficiência de produção líquida: razão entre a Energia contida na 
produção e a energia total assimilada. 
 
 Animais mais ativos de sangue quente tem eficiência de prod 
líquida baixa. (manter o equilíbrio salino, fazer o sangue circular, 
produzir calor, se movimentar). 
 
 
 
 
 
OS ANIMAIS MAIS ATIVOS POSSUEM AS EFICIÊNCIAS 
DE PRODUÇÃO LÍQUIDA MAIS BAIXAS 
 
 
OS ANIMAIS MAIS ATIVOS POSSUEM AS EFICIÊNCIAS 
DE PRODUÇÃO LÍQUIDA MAIS BAIXAS 
 
 
EFICIÊNCIA DE PRODUÇÃO NAS PLANTAS 
 
 
 
 Plantas não digerem e assimilam nutrientes. 
 
 
 30-85% (depende da planta e do ambiente) 
 
 
 Eficiência de produção bruta: Ef energética total da 
produção de biomassa 
 
 
 
 
CADEIAS ALIMENTARES DE DETRITOS 
 
 Partes difíceis de ingerir/digerir. 
 
 Detritos: restos mortais de plantas e de materiais 
indigeríveis excretados pelos herbívoros. 
 
 Alimentação herbívora x detritívora 
 
 Herbívoros (relativamente grandes): animais se 
alimentam de folhas, sementes, frutos 
 
 Detritívoros (relativamente pequenos ou 
microrganismos): detritos na serrapilheira. 
 
 Herbívoros predominam em comunidades 
planctônicas, os detritívoros em comunidades 
terrestres. 
 
CADEIAS ALIMENTARES DE DETRITOS 
CADEIAS ALIMENTARES DE DETRITOS 
CADEIAS ALIMENTARES DE DETRITOS 
CADEIAS ALIMENTARES DE DETRITOS 
CADEIAS ALIMENTARES DE DETRITOS 
CADEIAS ALIMENTARES DE DETRITOS 
CADEIAS ALIMENTARES DE DETRITOS 
CADEIAS ALIMENTARES DE DETRITOS 
EFICIÊNCIA DE EXPLORAÇÃO 
 
 Pouca energia deve se acumular em qualquer nível trófico 
 
 Equilíbrio entre a produção em um nível e o consumo no 
seguinte (estrutura constante). 
 
 Sob algumas condições pode haver desequilíbrio entre 
produção e consumo: acúmulo em um nível trófico. 
 
 Eficiência de exploração inferior a 100% 
 
 
 
 
 
 
 
A ENERGIA ATRAVESSA OS ECOSSISTEMAS EM 
VELOCIDADES DIFERENTES 
 
 As eficiências ecológicas descrevem que proporção da 
energia assimilada pelas plantas acaba alcançando cada 
nível trófico superior de um ecossistema. 
 
 A taxa de transferência de energia entre os níveis tróficos 
ou, inversamente, seu tempo de residência em cada nível 
trófico, proporciona um segundo índice da dinâmica 
energética de um ecossistema. 
 
 Quanto maior o tempo, maior a acumulação de energia. 
 
 
A ENERGIA ATRAVESSA OS ECOSSISTEMAS EM VELOCIDADES 
DIFERENTES 
 
 
 
A BIOENERGÉTICA DE ECOSSISTEMAS SINTETIZA O 
MOVIMENTO DA ENERGIA ATRAVÉS DOS 
ECOSSISTEMAS 
 
 O balanço energético total de um ecossistema reflete um 
equilíbrio entre créditos e débitos, exatamente como numa 
conta bancária. 
 
 O ecossistema ganha energia através da assimilação 
fotossintética de luz pelos autótrofos e através do transporte 
de matéria orgânica para dentro do sistema a partir de 
fontes externas. 
 
 Materiais orgânicos produzidos fora do sistema são 
chamados de entradas alóctones. 
 
 A fotossíntese que ocorre dentro do sistema é chamada de 
produção autóctone.