Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
A Ecologia de ecossistemas Nicho Ecológico e equilíbrio na natureza Capim Zebra Leões Abutres Interações entre as espécies Homeostase Ecossistema: histórico Charles Elton (década de 1920): “as relações de alimentação (teias alimentares) ligam os organismos numa entidade funcional única, a comunidade biológica.” A. G. Tansley (década de 1930): “visualizou as partes físicas e biológicas da natureza juntas, unificadas pela dependência dos animais e das plantas da sua vizinhança física e da sua contribuição à manutenção do mundo físico.” A isto denominou de ecossistema. Alguns princípios gerais da Ecologia Um sistema ecológico pode ser descrito por um conjunto de equações que representam trocas de matéria e energia entre seus componentes: Produtores – Consumidores – Decompositores Sistemas ecológicos funcionam de acordo com as leis da termodinâmica (Lotka anos 20); Energia: definições básicas • Energia: É a capacidade de realizar trabalho. Esta capacidade pode-se manifestar sob várias formas: radiação eletromagnética, energia potencial ou incorporada, energia cinética, energia química (dos alimentos) e calor. 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. • Por que a água ferve? Energia: definições básicas • 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 As transformações de energia crescem com: – O tamanho (massa total dos organismos produtores); – A sua produtividade (taxa de transformações); – A sua eficiência; E diminui ao passar pela cadeia alimentar.... Alguns princípios gerais da Ecologia Raymond Lindeman (1942): definiu níveis tróficos e visualizou uma pirâmide de energia. Alguns princípios gerais da Ecologia Ecossistemas como diagramas de fluxo de energia (Odum, 1953). Ciclo da matéria: Ex: Fotossíntese e respiração Movi mento de ener gia Movi mento dos minerais Decomposit or es Est oque de Nutri entes Sol Produt or es Herbívor os Consumidor es O fluxo de energia e o ciclo da matéria • A energia apresenta um fluxo unidirecional. O conceito de Ecossistema Unidade básica da Ecologia - Seres Vivos + Fatores Físicos (Tansley, 1935) “Qualquer unidade que abranja todos os organismos que funcionam em conjunto numa dada área, interagindo com ambiente físico gerando um fluxo de energia e ciclagem de matéria”. Estrutura de um ecossistema a) Fatores bióticos: Autótrofos ou produtores: Fotossintetizantes ou quimiossintetizantes. Heterótrofos ou consumidores; Decompositores ou saprófitos. b) Fatores abióticos 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. O ambiente energético da biosfera • 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. A água e o gás carbônico absorvem ativamente a radiação na faixa do infra-vermelho. Espectro da radiação solar - Destaque para o vísivel Maior energia Menor energia “Como um brilhante que partindo a luz, explode em sete cores...” Efeitos específicos causados por determinadas faixas do espectro Região Espectral Caráter de Absorção Efeito Fisiológico 1000 nm Onda longa absorvidas sob forma de calor. não causam danos e não apresentam efeitos específicos nos processos bioquímicos e fotoquímicos. 1000 – 720 nm Absorvido sob a forma de calor em pequena quantidade. Crescimento das plantas (fotoperiodismo, germinação de sementes, controle de floração e coloração de frutos). 720–610 nm (vermelho) fortemente absorvida pela clorofila . forte atividade fotossintética e fotoperiódica. 610–510 nm (verde, amarelo, laranja) pequena quantidade baixo efeito fotossintético e fraca ação sobre a formação da planta. Efeitos específicos causados por determinadas faixas do espectro Região Espectral Caráter de Absorção Efeito Fisiológico 510–400 nm (azul) fortemente absorvida pela clorofila e carotenóides forte atividade fotossintética e vigorosa ação na formação da planta 400–315 (UV) fracamente absorvida pela clorofila e protoplasma. efeito sobre a fotossíntese, exerce efeitos de formação; as plantas tornam-se mais baixas e as folhas mais grossas 315–280 nm absorvida pelo protoplasma. grande efeito morfogenético e sobre os processos fisiológicos (é prejudicial à maioria das plantas). < 280 nm absorvida pelo protoplasma. mata rapidamente as plantas. Fonte: COMISSÃO HOLANDESA DE IRRADIAÇÃO VEGETAL – 1953 (Mota, 1989). Fotossíntese “Luz do sol, que a folha traga e traduz Em verde novo, em folha, em graça, em vida, em força, em luz...” Caetano Veloso Fotossíntese São enormes as quantidades de energia que as plantas "armazenam" através da fotossíntese; Florestas tropicais, por exemplo, "armazenam" durante um ano, cerca de 8 mil quilocalorias por metro quadrado de floresta, ou seja 8 trilhões de quilocalorias por quilômetro quadrado (8.109 kcal/km2); A capacidade de produção de energia de uma usina hidrelétrica como, por exemplo, a de Barra Bonita, no Rio Tietê, é de cerca de 140 MW (megawatt); Uma quantidade equivalente a essa seria armazenada por 1 km2 de floresta absorvendo energia luminosa por duas horas e meia. Processo através do qual as plantas verdes transformam energia radiante, ou eletromagnética em energia química (Ferri, 1985). O processo visa basicamente a fornecer energia (ATP) e poder redutor (NADPH) para que a planta possa sintetizar carboidratos a partir do dióxido de carbono (CO2). Fotossíntese Outros princípios.... O meio ambiente físico exerce uma influência controladora na produtividade dos sistemas ecológicos; A estrutura e a dinâmica das comunidades ecológicas são reguladas pelos processos populacionais; Através das gerações, os organismos respondem às mudanças no meio ambiente através da evolução dentro das populações; Os organismos e o seu ambiente não vivo (abiótico) estão inseparavelmente inter relacionados e interagem entre si. Ecologia trófica • O estudo das interações tróficas é essencial para o entendimento do que se passa dentro de um ecossistema. Este tipo de estudo demonstra de modo inequívoco o grau de inter-relações existente entre os organismos e aponta os principais elementos na manutenção da estrutura do ecossistema. • Uma das formas mais tradicionais de se estudar a ecologia trófica está na identificaçãodas rotas alimentares dentro dos ecossistemas: a) cadeias alimentares; b) teias tróficas; c) pirâmides energéticas. • As cadeias alimentares: “A relação trófica que ocorre entre os seres vivos que compõem um ecossistema, mediante a qual a energia de um organismo se transfere ao outro. As cadeias alimentares começam por organismos produtores que obtêm a energia necessária do sol. Em seguida envolve consumidores de várias ordens e decompositores”. Nível trófico: é a posição que um organismo ocupa numa cadeia alimentar. “A vida é formada por plantas e seus parasitas” As cadeias alimentares Cadeias alimentares são exemplos teóricos, raros na natureza; Nunca existiriam cadeias com muitos níveis tróficos. Por que? Decompositores A ENERGIA FLUI DE PRODUTORES PARA DECOMPOSITORES Þ UNIDIRECIONAL A ENERGIA DECRESCE A CADA NÍVEL TRÓFICO POR ISSO: AS CADEIAS ALIMENTARES SÃO NORMALMENTE COMPOSTA DE POUCOS NÍVEIS TRÓFICOS Magnificação trófica: Processo de concentração crescente de produtos tóxicos por ingestão e acúmulo nos integrantes dos diversos níveis das cadeias alimentares, atingindo teores elevados nos consumidores de níveis mais altos. O acúmulo de DDT constitui-se no exemplo mais notório e suas conseqüências têm sido drásticas para o homem e outros animais. As teias alimentares: São cadeias alimentares entrelaçadas Os principais atributos de uma dada teia alimentar são os seguintes: a) Número de espécies na rede (s): é o número total de espécies presentes numa dada rede alimentar; b) Densidade de ligações (D): número de ligações tróficas associado a cada espécie presente na rede. D = Interações s c) Interações: Qualquer relação alimentar (são as linhas numa rede alimentar); d) Espécie trófica: conjunto de espécies que compartilham o mesmo conjunto de presas ou são atacadas pelo mesmo predador (Compartilham o mesmo nível trófico); e) Predador de topo: espécie que não é predada por nenhuma outra na rede alimentar; f) Espécies basais: organismos que não se alimentam de nenhuma outra espécie. Usualmente eles são produtores primários. g) Espécies intermediárias: espécies que tem predadores e presas dentro de uma mesma rede alimentar. h) Ciclos: Ocorre quando um organismo A se alimenta do organismo B que por sua vez se alimenta do organismo C que se alimenta de A; i) Canibalismo: Um ciclo no qual uma espécie se alimenta de si mesma; j) Interações possíveis (Ip): Entre s espécies na rede alimentar é definida por: Ip = [s(s – 1)] 2 k) Conectância (C): número de interações tróficas realizadas dividido pelo número de interações tróficas possíveis. Na realidade, existem várias formulas na literatura para a conectância, p.ex.: C = Interações Ip l) Onívoro: organismo que se alimenta em dois ou mais níveis tróficos diferentes; m) Compartimentos: ocorre quando existe um grupo com fortes interações tróficas. Em uma dada rede pode haver certo paralelismo trófico, ou seja, a existência de vários compartimentos relativamente independentes entre si. F L U X O D E E N E R G I A Considerando a teia esquematizada, defina e responda: s = ? / D = ? Quais espécies podem ser consideradas espécies tróficas? Quais são predadoras de topo, basais e intermediárias? Existe algum ciclo nessa teia? Há casos de canibalismo, se sim, em qual espécie? Quantas interações existem nessa rede? Quantas interações são possíveis? Qual o valor de conectância dessa rede? Existem espécies onívoras? Se sim, quais? Existem compartimentos? Considerando a teia esquematizada, defina e responda: s = 19. / D = 1.63. Quais espécies podem ser consideradas espécies tróficas? Produtores = 17 / 18 / 19. Cons. 1ª = 1 / 5 / 6 / 7 / 8 / 9 / 10 / 11 / 14 / 15 / 16. Cons. 2ª = 1 / 2 / 3 / 4 / 7 / 8 / 9 / 12 / 13 / 14 / 15. Cons. 3ª = 1 / 3. Quais são predadoras de topo, basais e intermediárias? Topo = 1 / 2 / 3 / 10 / 11 / 14 / 15. Basais = 17 / 18 / 19. Intermediárias = 4 / 5 / 6 / 7 / 8 / 9 / 12 / 13 / 16. Existe algum ciclo nessa teia? Não. Há casos de canibalismo, se sim, em qual espécie? Não. Quantas interações existem nessa rede? 31. Quantas interações são possíveis? 171. Qual o valor de conectância dessa rede? 0.18. Existem espécies onívoras? Se sim, quais? Sim 1 / 3 / 7 / 8 / 9 / 14 / 15. Existem compartimentos? Não. Organismos, Recursos e Resíduos Recurso Ser vivo Resíduos Energia não assimilada Produtividade primária Transformação da energia luminosa em energia de ligações químicas nos carboidratos (Fotossíntese); É a quantidade de matéria orgânica produzida em determinado ecossistema. Produtividade primária - Apenas uma parte da radiação incidente; - Menos que 1/3 é assimilado (perdido na forma de calor); - A produção primária determina a energia total disponível para o ecossistema; - Energia transformada em biomassa; - A produtividade pode ser mensurada como gramas de Carbono assimilado, peso seco de tecidos vegetais etc. Produtividade Primária Bruta (PPB) Energia total assimilada pela fotossíntese; Constitui toda a matéria orgânica produzida pelos seres autótrofos. Fatores que limitam a (PPB): • Luz; • Água; • Nutrientes; • Temperatura; • CO2 Fatores que limitam a Produtividade Primária Bruta (PPB) • Luz: • Eficiência fotossintética (percentagem de energia na luz do sol que é convertida para a produção primária durante o crescimento – 1% a 2%) Fatores que limitam a Produtividade Primária Bruta (PPB) Água Fatores que limitam a Produtividade Primária Bruta (PPB): • Nutrientes Fatores que limitam a Produtividade Primária Bruta (PPB): • Temperatura. • Aumento de temperatura – aumento de fotossíntese até certo limite; • Quando a respiração aumenta muito com a temperatura – diminui a assimilação de CO2. Fatores que limitam a Produtividade Primária Bruta (PPB) Gás Carbônico 0,03 a 0,04% da atmosfera; Aumento de fotossíntese até 0,3%. Produtividade Primária Líquida (PPL): É o que resta aos consumidores após o que é gasto pelos próprios produtores • Varia de Ecossistema a Ecossistema: • Oceanos e desertos Fluxo de energia pelo ecossistema • A principal fonte de energia de qualquer ecossistema é o sol; • Os produtores transformam energia luminosa em energia química; • Os produtores gastam parte da energia produzida estando disponível a consumidores apenas cerca de 10% do produzido (Alguns casos 5 a 20% / Comunidades marinhas 2% a 24%;) - Eficiência ecológica ou da cadeia alimentar; • A quantidade de energia diminui cada vez que é passada a outro ser vivo; • Capacidade de Suporte (produtividade) de um ecossistema; • Produtividade primária x produtividade secundária; Produtividade secundária Refere-se à quantidade de matéria orgânica armazenada no corpo de um animal herbívoro em determinado intervalo de tempo; Corresponde à energia que o herbívoro conseguiu absorver dos alimentos que ingeriu, já subtraído o que foi gasto para manter o seu metabolismo; Alta produtividade Baixa Eficiência Ecológica A amazônia é o pulmão do mundo? Ecologia de processos • Eficiências Energéticas: As proporções (ou razões) entre os fluxos de energia em diversos pontos ao longo da cadeia de alimentos, quando expressas em percentuais. Calcula-se com as seguintes variáveis: E: excreção R: respiração B: biomassa A: assimilação I: ingestão Eficiência Ecológica (Eff) • A eficiência Ecológica depende: – Eficiência de Assimilação; – Eficiência de Produção Líquida;– Eficiência de Produção Bruta; – Eficiência de Exploração. – Taxa de transferência ou tempo de residência Eficiência Ecológica (Eff) • Mede a quantidade de energia que é passada de um nível trófico a outro; • Depende: – Energia Assimilada – Energia ingerida; – Energia egestada: • Energia de respiração (utilizada para atender as necessidades metabólicas) • Energia excretada • Logo: Energia assimilada = energia ingerida – energia egestada Produção (primária ou secundária) = energia assimilada – respiração – excreção Eficiência de Assimilação • Razão entre a assimilação e a ingestão (expressa em percentagem); • Ou quanto do ingerido é assimilado? – Herbívoros assimilam 80% da energia de sementes e de 60% a 70% da vegetação jovem; – Pastadores assimilam de 30% a 40% da energia de seus alimentos; – Predadores variam de 60% a 90% (presas vertebrados); – Insetívoros 70% a 80%. • Por que a diferença? – Nem tudo é digerível... – Plantas – Celulose, lignina e outros; – Em animais – exoesqueletos, ossos, pêlos, penas, escamas etc. – Formam detritos que são decompostos por bactérias e fungos... Eficiência de produção líquida (EPL) • Produção representa a biomassa incorporada (crescimento e reprodução); • Epl = Razão entre a energia contida na produção e a energia total assimilada (expressa em percentagem); • Animais mais ativos homeotérmicos possuem baixa eficiência de produção líquida: – Aves – menos de 1%; – Pequenos mamíferos até 6% • Nesses casos, a maior parte da energia assimilada é usada na manutenção da homeostase; • Animais pecilotérmicos e sedentários possuem eficiência de produção líquida de até 75% (utilizadas no crescimento e reprodução) assimilação Epl = produção x 100 Eficiência de produção bruta (Epb) • É a eficiência energética total da produção de biomassa dentro de um nível trófico; • Trata-se da energia total ingerida; • Para Animais terrestres homeotérmicos raramente excede a 5%; • Aves e grandes mamíferos menor que 1%; • Insetos varia de 5% a 15%; • Animais aquáticos excede a 30% Epb = Assimilação x Epl ingestão Epb = produção x 100 ingestão assimilação Epl = produção x 100 Em plantas... • Epl varia entre 30% e 85%; • Plantas de crescimento rápido de zonas temperadas possuem Epl alta 75% a 85% (altas densidades) no trópicos é menor, 40% a 60% (baixas densidades); • Nos trópicos as altas temperaturas aumentam a respiração em relação a Fotossíntese. produção bruta Epl = produção liquida Eficiência de exploração • Proporção da produção em um nível trófico que é consumida por um nível trófico superior; • Sempre inferior a 100%; • Influencia na eficiência ecológica (Eff) dos ecossistemas eficiência de produção bruta Eff = eficiência de exploração • A eficiência ecológica descreve que proporção da energia assimilada pelas plantas acaba alcançando cada nível trófico superior; • A energia atravessa os ecossistemas em velocidades diferentes: – Taxa de transferência ou tempo de residência • Quanto maior o tempo de residência, maior o acúmulo de energia. Ou produtividade líquida (Kj/m2/ano) Tempo de residência (ano) = energia armazenada na biomassa (Kj/m2) produção de biomassa (Kg/m2/ano) Taxa de acumulação de biomassa (ano) = biomassa (Kg/m2) • Plantas de florestas tropicais úmidas produzem 1,8 Kg por m2/ano de matéria seca em média e possuem uma biomassa viva média de 42 Kg por m2; • Qual o tempo de residência média da biomassa nas plantas de florestas tropicais úmidas? produção de biomassa (Kg/m2/ano) Taxa de acumulação de biomassa (ano) = biomassa (Kg/m2) • A taxa de acumulação de biomassa pode variar de mais de 20 anos até menos de 20 dias. • Nos diferentes ecossistemas sempre alguma energia permanece acumulada por muito tempo (P. ex. Energia acumulada em celulose ou lignina); • Parte é reciclada rapidamente; • Considerando a energia acumulada em serrapilheiras: taxa de queda de serrapilheira (g/m2/ano) Tempo de residência (ano) = acumulação de serrapilheira (g/m2) • Em ecossistemas florestais o tempo de residência varia de 4 a 16 anos em campos temperados (a) e 100 anos em montanhas temperadas e regiões boreais a 3 meses nos trópicos úmidos (b), até 1 a 2 anos em habitats tropicais secos montanhosos, • Temperaturas quentes e abundância de umidade favorecem uma rápida decomposição da serrapilheira (maior abundância de decompositores). Bioenergética e estrutura do ecossistemas • O estudo do fluxo de energia e a eficiência de transferência permite-nos conhecer alguns aspectos dos ecossistemas: – Número de níveis tróficos; – Importância relativa dos decompositores e herbívoros; – Valores de equilíbrio de biomassa e detritos acumulados; – Taxas de troca de matéria orgânica. – Numa escala maior, permite-nos avaliar as possibilidades de consumo desses recursos... Balanço energético total de um ecossistema é, portanto, um equilíbrio entre créditos e débitos • Ecossistemas ganham energia: – Através da fotossíntese (produção autóctone); – Através do transporte de matéria orgânica a partir de fontes externas (produção alóctone); • Ou seja: – Um sistema pode ser mantido por seus próprio atributos (produtores) ou por fontes externas; – P. Ex. Num determinado ecossistema herbívoros assimilam energia a uma taxa de 0,31 W por m2, porém a produtividade líquida dos produtores é de 0,09 W por m2 • Alguns ecossistemas são completamente dependentes da produção alóctone. (P. ex. Cavernas e fundo dos oceanos) • A eficiência de assimilação aumenta nos níveis tróficos superiores; • A produção líquida e bruta diminuem nos níveis tróficos superiores; • A eficiência Ecológica é, em média de 10%; • Em média a eficiência ecológica é menor em ambientes terrestres em comparação com os aquáticos. Considerações finais sobre o fluxo de energia.... • Qual o tamanho da cadeia alimentar mais longa de um ecossistema? • Depende: • Da produção primária líquida (PPL ou NPP); • Da energia exigida por uma população de consumidores (E); • Da eficiência ecológica média de transferência de energia de um nível para o outro numa cadeia alimentar (Eff). Considerações finais sobre o fluxo de energia.... • Qual o tamanho da cadeia alimentar mais longa de um ecossistema? • Pode ser calculada como: E(n) = (NPP)(Eff n-1) Onde: E(n) = Quantidade de energia disponível para um consumidor n; NPP = Taxa de produção primária líquida; Eff = Eficiência ecológica em média Ou Considerações finais sobre o fluxo de energia.... log (Eff) n = 1 + log[E(n) / NPP] Considerações finais sobre o fluxo de energia.... Ao passar de um nível a outro, certa quantidade de energia é liberada para o meio, ficando apenas uma parte disponível para o consumidor. Isso justifica a existência de cadeias alimentares com poucos níveis tróficos; Quanto mais próximo um ser vivo estiver do conversor, maior será a quantidade de energia disponível; A PPB bem como a energia passada a cada nível trófico depende do ecossistema a ser considerado. As pirâmides ecológicas São representações esquemáticas das cadeias alimentares; Podem ser de : Números; Biomassa; Energia. Obedecem a seqüência de uma cadeia alimentar com os produtores sempre compondo a base da pirâmide. Tipos de pirâmides ecológicas Caso 1: Pirâmide de números numa comunidade formada por: 1 – árvores 2 – Preguiças 3 – Piolhos Algumas pirâmides de números e de massa podem se apresentar invertidas: Caso 2: Pirâmide de massa num ecossistema marinho: 1 – Fitoplâncton (alto potencial biótico)2 – Zooplâncton Slide 1 Nicho Ecológico e equilíbrio na natureza Ecossistema: histórico Alguns princípios gerais da Ecologia Energia: definições básicas Energia nos organismos vivos Energia: definições básicas Energia: definições básicas Slide 9 Alguns princípios gerais da Ecologia Alguns princípios gerais da Ecologia O fluxo de energia e o ciclo da matéria A energia apresenta um fluxo unidirecional. O conceito de Ecossistema Estrutura de um ecossistema O ambiente energético da biosfera O ambiente energético da biosfera Espectro da radiação solar - Destaque para o vísivel Slide 19 Slide 20 Fotossíntese Fotossíntese Fotossíntese Outros princípios.... Ecologia trófica Slide 26 Slide 27 As cadeias alimentares Slide 29 Magnificação trófica: As teias alimentares: São cadeias alimentares entrelaçadas Slide 32 Slide 33 Slide 34 Slide 35 Slide 36 Slide 37 Slide 38 Slide 39 Organismos, Recursos e Resíduos Produtividade primária Produtividade primária Slide 43 Slide 44 Slide 45 Slide 46 Slide 47 Slide 48 Slide 49 Slide 50 Fluxo de energia pelo ecossistema Produtividade secundária Alta produtividade Baixa Eficiência Ecológica Ecologia de processos Eficiência Ecológica (Eff) Eficiência Ecológica (Eff) Eficiência de Assimilação Eficiência de produção líquida (EPL) Eficiência de produção bruta (Epb) Em plantas... Eficiência de exploração Slide 62 Slide 63 Slide 64 Slide 65 Slide 66 Slide 67 Bioenergética e estrutura do ecossistemas Slide 69 Slide 70 Slide 71 Slide 72 Slide 73 Considerações finais sobre o fluxo de energia.... As pirâmides ecológicas Tipos de pirâmides ecológicas Slide 77
Compartilhar