Aula 2 Fluxo de energia

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO TRIÂNGULO MINEIRO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AMBIENTAL/ ICTE
Ecossistemas terrestre e aquáticos 
Aula 2
Profa. Dra. Ana Paula Milla dos Santos Senhuk
- Fluxo de energia nos ecossistemas
- Fatores limitantes da produtividade
- Eficiência energética
- Pirâmides ecológicas
• Origem grego oikos lar - estudo do “Lar Terra”
• Termo introduzido em 1869 pelo biólogo alemão Ernst 
Harckel
• “a ciência das relações entre o organismo e o mundo 
externo circunvizinho”
Ecologia
Ecossistema - conceitos
• Charles Elton, 1920:
“os organismos que vivem num mesmo lugar não apenas 
apresentam tolerâncias semelhantes aos fatores físicos no 
ambiente, mas também interagem uns com os outros” –
teia alimentar
• Tansley, 1935:
▫ Sistemas ecológicos – componentes biológicos e físicos
unificados pela dependência dos animais e das plantas em seus
ambientes físicos e por suas contribuições para a manutenção
das condições e composição do mundo físico
 ECOSSISTEMAS
Visão mecanicista:
Em qualquer sistema complexo o comportamento do
todo = soma das propriedades de suas partes
Visão sistêmica:
Propriedades das partes não são propriedades
intrínsecas, mas só podem ser entendidas dentro do
contexto do todo maior
pensamento contextual/ ambientalista
Teorias sistêmicas
• déc. 30 biólogos organísmicos, psicólogos e
ecologistas
• relação entre as partes e o todo invertida
• as propriedades sistêmicas são destruídas quando um
sistema é dissecado em elementos isolados
Metáfora do conhecimento
Edifício Rede 
(teia dinâmica de eventos
interrelacionados)
X
“Os organismos não são apenas membros de 
comunidades ecológicas, mas também são, eles 
mesmos, complexos ecossistemas contendo uma 
multidão de organismos menores, dotados de 
uma considerável autonomia, e que, não 
obstante, estão harmoniosamente integrados no 
funcionamento do todo” 
Fritjof Capra (A teia da vida, 1996)
CARACTERÍSTICA UNIVERSAL DE TODOS 
OS ECOSSISTEMAS
INTERAÇÃO DOS COMPONENTES AUTOTRÓFICOS E 
HETEROTRÓFICOS
Organismos responsáveis pelos processos parcialmente
separados:
- no espaço
- no tempo
• Variação temporal - exemplo:
• “ o fogo pode atingir uma árvore muitas vezes, mas saltar 
dúzias de gerações de uma população de insetos”
• Variação espacial – exemplo:
• Variação da temperatura no Oceano
• Heterogeneidade ambiental gerada pela estrutura das 
plantas, atividades de animais e conteúdo do solo
• O fluxo de energia é unidirecional
• A eficiência da reciclagem e a magnitude da 
importação/exportação dos nutrientes variam amplamente 
conforme o tipo de ecossistema
• Limites do sistema arbitrário – margem do lago, bordas da 
floresta, limites da cidade...
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TROPHE = alimentação
• Estrato autotrófico – “cinturão verde” - fixação da energia 
luminosa, transformação de substâncias simples em sub. 
orgânicas complexas
• Estrato heterotrófico – “cinturão marrom” – solos e 
sedimentos, matéria em degradação, raízes...
• Predominam o uso, rearranjo e a decomposição dos materiais 
complexos
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1. SUBSTÂNCIAS INORGÂNICAS (C, N, CO2, H2O e outros) -
ciclo de materiais
2. COMPOSTOS ORGÂNICOS (proteínas, carboidratos, lipídeos, 
substâncias húmicas e outros) - conectam os componentes bióticos 
e abióticos
3. AMBIENTE de ar, água e substrato, regime climático e outros 
fatores físicos
4. PRODUTORES ou autotróficos
5. FAGÓTROFOS (de phago = “comer”) ou heterotróficos
6. SAPRÓTROFOS (de sapro = “decompor”) ou decompositores
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▫ 224 bi ton/ano de biomassa vegetal seca
▫ 59% - produzida em ecossistemas terrestres
▫ 35% a 40% - utilizada pelos humanos (para alimentos ou para 
animais)
▫ Quanto da produção de algas nos oceanos é necessário para 
sustentar os pesqueiros?
▫ Compreensão do fluxo de energia nos ecossistemas 
naturais
 Cerca de 90% da energia consumida é utilizada para manter o 
consumidor
 Apenas 10% é convertida para crescimento e reprodução em 
biomassa – alimento potencial para outros organismos
Energia no ecossistema
• Alfred J. Lotka desenvolveu o primeiro conceito
termodinâmico de ecossistema
• Terra – máquina termodinâmica gigantesca
▫ Circulação de ventos e correntes oceânicas e evaporação da 
água movidos pela energia solar
• Parte dessa energia solar é assimilada pela fotossíntese 
das plantas
▫ Combustível de todos os sistemas biológicos
Energia no ecossistema
Energia no ecossistema
• Cadeia alimentar – sequência de relações tróficas pelas 
quais a energia passa através do ecossistema
• Níveis tróficos – elos da cadeia alimentar 
• Pirâmide de energia - em cada nível trófico, a energia é 
perdida por causa do trabalho realizado pelos organismos e 
pela demanda energética nos processos bioquímicos
• Ecologia de ecossistemas - que trata principalmente do 
fluxo de energia e reciclagem de matéria em diversos 
ecossistemas e sob infinitas condições
Energia no ecossistema
Energia no ecossistema
0,18%
• A energia e as massas dos elementos como o 
carbono - “moeda” comum para comparar a estrutura e 
funcionamento de diferentes ecossistemas
• Medidas de assimilação de energia e eficiência energética
• Odum (1953) – retratou os ecossistemas como 
diagramas de fluxo de energia
▫ Energia entra no ecossistema como luz e sai como calor
▫ Os nutrientes são regenerados e retidos dentro do 
ecossistema
Energia no ecossistema
• Modelo universal do fluxo de energia ecológico
Energia no ecossistema
Entrada de energia 
para o organismo
Energia 
disponível para 
o próximo nível 
trófico
• Fluxo de energia em 3 níveis tróficos
Energia no ecossistema
• A matéria circula dentro do ecossistema
1 - assimilada em formas inorgânicas pelas plantas e 
2 - convertida em biomassa
3 - volta às formas inorgânicas pelo processo de decomposição
• Produção primária: assimilação de energia e produção 
de matéria orgânica pela fotossíntese
▫ Plantas, algas e algumas bactérias
• Produtividade primária: a taxa da produção primária
Energia no ecossistema
Energia no ecossistema - produtividade
FATORES LIMITANTES DA PRODUTIVIDADE:
1 - A luz e a temperatura influenciam as taxas de fotossíntese
▫ Plantas que crescem na sombra ou em grandes profundidades 
em sistemas aquáticos – luminosidade limitante
• Eficiência fotossintética – porcentagem de energia na luz do 
sol convertida para produção 
primária
▫ Varia entre 1% e 2% - quando 
a água e os nutrientes não são 
limitantes
Energia no ecossistema
Energia no ecossistema
Energia no ecossistema
Energia no ecossistema
Distribuição dos ecossistemas em função 
da altitude e latitude
FATORES LIMITANTES DA PRODUTIVIDADE:
2 - A água limita a produção primária em muitos habitats 
terrestres
▫ Baixa umidade do solo
▫ Estômatos fechados para reduzir a perda de água
▫ Redução da assimilação de CO2
▫ Fotossíntese mais lenta
• Eficiência no uso da água – resistência à seca
▫ 2 a 4 kg de produção por kg de água consumida
Energia no ecossistema
Distribuição dos 
ecossistemas 
em função da 
precipitação
e temperatura
Energia no ecossistema
Estratégias para maior eficiência no uso da água:
• Transpiração e fotossíntese lentas
• Tamanho reduzido (ex: arbustosperenifólios do deserto)
• Características estruturais:
▫ Tricomas, estômatos em cavidade e 
na face inferior 
▫ Superfícies com ceras
Energia no ecossistema
• Estratégias fisiológicas especiais:
▫ Plantas C4 e CAM (metabolismo 
ácido das crassuláceas, em inglês)
▫ Maior eficiência no uso da água em 
relação a maioria das outras plantas (C3)
• Ou seja, a quantidade de carbono 
fixado por unidade de água transpirada 
pode ser duas vezes maior do que nas 
plantas C3
Cana – C4
Cactos - CAM
Energia no ecossistema
Para lembrar:
• 3 rotas bioquímicas para fixação de carbono na 
fotossíntese: C3, C4 e CAM
• Obs: a maioria das plantas aquáticas usa a rota C3 e 
possuem mecanismos concentradores de CO2 para 
aumentar a eficácia de sua utilização
• A rota C3
• CO2 fixado em um ácido com 3 carbonos (ác. 
fosfoglicérico) pela enzima Rubisco
▫ Essa enzima também tem afinidade por O2 
(fotorrespiração)
FATORES LIMITANTES DA PRODUTIVIDADE:
3 - Respostas das plantas às concentrações variáveis de CO2 
atmosférico
▫ [CO2] 30% maior que no período pré-industrial (pouco 
tempo em escala geológica)
▫ Declínios na [CO2] após o Cretáceo (há +/- 145 mi anos)
▫ Provável força indutora favorecendo a evolução de 
plantas C4
▫ Desvantagem das C3 em baixas [CO2] pela alta taxa de 
fotorrespiração
Energia no ecossistema
Energia no ecossistema
FATORES LIMITANTES DA PRODUTIVIDADE:
4 – Os nutrientes estimulam a produção vegetal tanto nos 
ecossistemas terrestres quanto nos aquáticos
▫ Limitam a produção primária mais fortemente em 
ambientes aquáticos
▫ Adição descontrolada de fertilizantes 
(principalmente nitrogênio e fósforo)
– EUTROFIZAÇÃO
Energia no ecossistema
Energia no ecossistema
Maior produção 
em zonas de 
ressurgência,
nas áreas de 
plataformas 
continentais 
(mais rasas) e 
recifes de 
corais
• Trópicos – grande insolação, temperatura quente, 
precipitação abundante e grande quantidade de nutrientes
Maior produtividade terrestre do planeta
• A produção da vegetação terrestre é máxima nos trópicos 
úmidos e mínima nos habitats de tundra e de deserto
• Interface entre ecossistemas terrestres e aquáticos 
(ecótonos) – contínua disponibilidade de água e rápida 
regeneração de nutrientes nos sedimentos lodosos – alta 
produtividade
A produção primária varia entre os 
ecossistemas
• Écotono – criado pela justaposição de diferentes habitats ou 
tipos de ecossistemas
• Interação ativa entre dois ou mais ecossistemas
• Propriedades inexistentes em ambos os ecossistemas, mas 
adjacentes
• Zona de interface com propriedades e espécies únicas 
• ex: praia marinha – ações 
alternadas de marés de 
inundação e drenagem, 
manguezais... 
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Estuário – água salobra 
Exemplos de ecótonos:
Brejos e estuários
Variação da produtividade primária entre os 
ecossistemas
• Apenas 5% a 20% da energia passa de um nível 
trófico para outro
• As transformações bioquímicas dissipam parte da energia 
da PPB antes que possa ser consumida pelos organismos 
do nível trófico superior
• A cada etapa da cadeia alimentar 80-95% da energia é 
perdida
• Eficiência ecológica ou eficiência da cadeia 
alimentar
Energia no ecossistema
• Eficiência de transferência 
de energia
Energia no ecossistema
• Produção primária das plantas, algas e algumas bactérias –
base das cadeias alimentares ecológicas
▫ Gastam entre 15% e 70% da energia luminosa assimilada pela 
fotossíntese para manutenção – energia indisponível para os 
consumidores
• Herbívoros e carnívoros são mais ativos - gastam mais 
energia
• Energia egestada: componentes do alimento não digeríveis –
defecados ou regurgitados (pêlos, penas, exoesqueletos de 
insetos, cartilagens, ossos, celulose e lignina)
Energia no ecossistema
• Energia assimilada: o que o organismo digere e absorve
▫ Parte retida é usada para síntese de nova biomassa –
produção – crescimento e reprodução 
• Energia respirada: fração da energia assimilada utilizada 
para atender as necessidades metabólicas, cuja maior parte é 
perdida como calor
• Energia excretada: parte da energia assimilada é excretada 
por animais na forma de resíduos orgânicos nitrogenados 
(principalmente amônia, ácido úrico ou ureia)
Energia no ecossistema
• Balanço de energia de um organismo
energia ingerida – energia egestada
= energia assimilada
energia assimilada – respiração – excreção 
= produção
Energia no ecossistema
• A eficiência de assimilação (EA) depende da 
digestibilidade da dieta
• EA = razão entre a assimilação e a ingestão
• O valor energético das plantas para seus consumidores depende 
de sua qualidade alimentar (quantidade de material não 
digerível)
• Ex: capim-annoni, espécie invasora no sul
do Brasil
• Alimentos de origem animal são mais 
facilmente digeridos do que os de origem veg.
Energia no ecossistema
Energia no ecossistema
• Eficiência de produção (EP)= razão entre a energia de 
produção e a energia total assimilada
• Animais ativos - EP baixa (endotérmicos):
▫ Aves < 1%; pequenos mamíferos < 6%
▫ Usam a maior parte da energia assimilada para manter o 
equilíbrio salino, fazer o sangue circular, produzir calor para a 
termorregulação e se movimentar
• EP = 75% 
▫ animais sedentários (ectotérmicos) – espécies aquáticas 
principalmente
Energia no ecossistema
Energia no ecossistema
• Eficiência de produção nas plantas
• Depende do ambiente e da forma de crescimento
• Plantas de crescimento rápido em zonas 
temperadas: 
▫ EP entre 75% e 85%
• Nos trópicos:
▫ EP entre 40% e 60% 
Energia no ecossistema
Energia no ecossistema
Pirâmide de energia
Pirâmides de números
Pirâmides de biomassa
• Cadeias alimentares de detritos
• Maior parte da produção de plantas terrestres é consumida 
como detritos:
▫ Restos mortais e material indigerível excretado pelos herbívoros
• Por organismos especializados em atacar madeira, folhas na 
serapilheira e plantas fibrosas egestadas
• 2 cadeias alimentares paralelas em comunidades terrestres: 
base herbívora e base detritívora
▫ Se misturam nos níveis tróficos mais altos
▫ A energia dos detritos tende a se mover mais lentamente na cadeia 
alimentar
Energia no ecossistema
Cadeia ou teia de pastejo
base herbívora
Cadeia ou teia de detritos
base detritívora
• A energia atravessa os ecossistemas em velocidades 
diferentes
• Eficiência ecológica = proporção da energia assimilada pelas 
plantas que alcança cada nível trófico superior
• Tempo de residência da energia em cada nível trófico –
acumulação de energia
▫ serapilheira em regiões tropicais úmidas: 3 meses
▫ serap. em regiões tropicais secas: 4 a 16 anos
▫ serap. em regiões montanhosas temperadas e boreais: mais de 100 
anos
Energia no ecossistema
• O ecossistema ganha energia pela assimilação fotossintética de 
luz – autótrofos- e pelo transporte de matéria orgânica para 
dentro do sistema – fontes externas
• Material orgânico produzido dentro do sistema: autóctone
▫ Predomina em rios grandes, lagos e maioria de 
ecossistemas marinhos
• Material orgânico produzido fora do sistema: alóctone
▫ Predomina em pequenas correntes e nascentes sob as 
copas fechadas das florestas
▫ Cavernas e profundezas dos oceanos – sem luz
Energia no ecossistema
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Referência
• RICKLEFS, R. E. A Economia da Natureza. 6. ed. 
Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2011, 546p.