O ECOSSISTEMA ECOSSISTEMA

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1 O ECOSSISTEMA ECOSSISTEMA Níveis de organização biológica COMUNIDADE POPULAÇÃO INDIVÍDUO Comportamento Ecossistema: a comunidade biológica em interação com o ambiente abiótico circundante Meio Abiótico Morfologia História de Vida Fisiologia ROTEIRO O estudo dos ecossistemas enfatiza processos ligando os componentes vivos (bióticos) e os componentes nãovivos (abióticos) dos ecossistemas Os dois processos gerais em ecologia ecossistêmica são: o fluxo da energia e a ciclagem da matéria (ou: os ciclos biogeoquímicos) Ecologia ecossistêmica Fluxo de energia Fotossíntese e produção primária Fatores limitantes para a produção primária Destino da produção primária Ciclagem da Matéria Ciclos gasosos Ciclos sedimentares

2 FLUXO DE Organismos criam e mantém um estado interno altamente organizado através da dissipação contínua de energia 99.99% * de toda a energia que propulsiona sistemas biológicos vem do sol por meio da fotossíntese CARNÍVOROS FOTOSSÍNTESE LUZ 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 HERBÍVOROS DETRITÍVOROS e DECOMPOSITORES 38 ATP RESPIRAÇÃO [Glicólise + Ciclo de Krebs] *99.99%? Chutei. Não conheço o número nem consegui achar na literatura. Mas sabemos que fotossíntese >>>>>>>>>>>>>>quimiossíntese sintetizam moléculas orgânicas a partir de precursores inorgânicas LUZ Forma conveniente de abstrair a enorme complexidade de teias alimentares: cadeias alimentares compostas por poucos níveis tróficos Níveis tróficos: grupos de organismos que compartilham os mesmos recursos ou hábitos alimentares

3 CARNÍVOROS... Aqui abriremos GRANDE PARÊNTESIS... HERBÍVOROS LUZ DETRITÍVOROS e DECOMPOSITORES DECOMPOSIÇÃO Decomposição é a desintegração gradual da matéria orgânica morta e é realizada por processos físicos e biológicos Culmina com a quebra de moléculas orgânicas complexas em CO 2, H 2 O e nutrientes inorgânicos [ a MINERALIZAÇÃO]... que entram novamente na cadeia pela absorção das plantas! IMPOSSÍVEL EXAGERAR A IMPORTÂNCIA ECOLÓGICA DA DECOMPOSIÇÃO!!! Pensamos em matéria orgânica morta como sendo organismos mortos... mas também remelas, nhacas, fezes, trocas de pele, penas, pelos, queda de galhos, folhas, frutos, etc. etc. etc. Hifas de fungos penetrando a célula vegetal Detritívoros Animais consumidores de matéria orgânica morta Complexa interação com decompositores: digerem decompositores ao ingerir MO, mas também facilitam enormemente os decompositores ao fragmentar a MO Decompositores Bactérias e fungos Desde aqueles que consomem moléculas simples dissolvidas até aqueles que consomem moléculas altamente refratárias à decomposição (como a celulose e a lignina) Sucessão muito clara porque micróbios têm baixa versatilidade bioquímica e portanto são capazes de processar número limitado de substratos O processo de decomposição não é tarefa para uma espécie, mas para uma COMUNIDADE - Distribuição de tamanhos numa cadeia de decomposição em ambientes terrestres

4 Produtividade primária Plantas estão na base da cadeia trófica Portanto o quanto plantas produzem de biomassa tem grandes consequências para todo o ecossistema... Aqui fechamos o GRANDE PARÊNTESIS... Produção primária Produtividade primária* - Taxa de produção de biomassa de plantas por unidade de tempo por unidade de área (por exemplo kg massa seca/ ha/ ano ou g C / m2 / ano ou J / m2 / dia) *porque primária? Para distinguir da produtividade secundária (taxa de produção de biomassa de heterótrofos) Produtividade primária bruta (PPB) - Taxa de produção TOTAL de biomassa de plantas por unidade de tempo por unidade de área (todo o produto da fotossíntese) Produtividade primária líquida (PPL) PPB - respiração (isso porque respiração consome o C fixado). Assim, PPL é o que está disponível para o consumo dos heterótrofos % DO TOTAL GLOBAL AREA PPL RECIFES E LEITOS DE ALGAS BREJOS E PÂNTANOS PLUVIAIS TROPICAIS ECOSSISTEMAS TERRESTRES ECOSSISTEMAS AQUÁTICOS FLORESTA TROPICAL FLORESTA TEMPERADA SAVANA BREJOS E PÂNTANOS OCEANO ABERTO PLATAFORMA CONTINENTAL LEITOS DE ALGAS E RECIFES RIOS E LAGOS PRODUTIVIDADE PRIMÁRIA LÍQUIDA (kg / m 2 / ano) PLATAFORMA CONTINENTAL OCEANO ABERTO ZONAS DE RESSURGÊNCIA LAGOS, RIOS E RIACHOS TUNDRA BIOMASSA (kg / m 2 ) SAVANAS BOREAIS TEMPERADAS DECÍDUAS

5 RECIFES E LEITOS DE ALGAS BREJOS E PÂNTANOS PLUVIAIS TROPICAIS RECIFES E LEITOS DE ALGAS BREJOS E PÂNTANOS PLUVIAIS TROPICAIS PRODUTIVIDADE PRIMÁRIA LÍQUIDA (kg / m 2 / ano) PLATAFORMA CONTINENTAL OCEANO ABERTO ZONAS DE RESSURGÊNCIA LAGOS, RIOS E RIACHOS TUNDRA SAVANAS BOREAIS TEMPERADAS DECÍDUAS a amplitude de produtividade de ecosistemas aquáticos coincide com a de ecossistemas terrestres PRODUTIVIDADE PRIMÁRIA LÍQUIDA (kg / m 2 / ano) PLATAFORMA CONTINENTAL OCEANO ABERTO ZONAS DE RESSURGÊNCIA LAGOS, RIOS E RIACHOS TUNDRA SAVANAS BOREAIS TEMPERADAS DECÍDUAS Loucura 1: alguns dos ecossistemas mais produtivos do planeta são ecossistemas aquáticos BIOMASSA (kg / m 2 ) BIOMASSA (kg / m 2 )... apesar da biomassa por unidade de área ser TÃO menor (notem a escala LOG!!!)... apesar da biomassa por unidade de área ser TÃO menor (notem a escala LOG!!!) RECIFES E LEITOS DE ALGAS BREJOS E PÂNTANOS PLUVIAIS TROPICAIS % DO TOTAL GLOBAL AREA PPL PRODUTIVIDADE PRIMÁRIA LÍQUIDA (kg / m 2 / ano) PLATAFORMA CONTINENTAL OCEANO ABERTO ZONAS DE RESSURGÊNCIA LAGOS, RIOS E RIACHOS TUNDRA BIOMASSA (kg / m 2 ) SAVANAS BOREAIS TEMPERADAS DECÍDUAS Loucura 2: oceanos abertos são QUASE tão IMPRODUTIVOS quanto S.. FLORESTA TROPICAL FLORESTA TEMPERADA SAVANA BREJOS E PÂNTANOS 63% OCEANO ABERTO PLATAFORMA CONTINENTAL LEITOS DE ALGAS E RECIFES RIOS E LAGOS CLARO QUE GLOBALMENTE O PAPEL DOS OCEANOS É RELEVANTE PORQUE A ÁREA É GIGANTESCA. MAS AINDA ASSIM MENOR QUE TROPICAIS, CUJA ÁREA É 12x <!!!

6 LUZ Elementos estruturais C, H, O Certo. Mas o que limita a produtividade primária? Embora não seja um recurso (e sim uma condição), produtividade f (temperatura) Macronutrientes N, P, K, Ca, S, Mg ÁGUA Micronutrientes Cu, Zn, B, Cl, Mo, Mn, Fe, Co, Na A Lei do Mínimo de Liebig* Crescimento é limitado não pela disponibilidade total de recursos, mas pela disponibilidade do recurso mais raro relativo à sua demanda (este será o recurso limitante). MEAN ANNUAL TEMPERATURE ( o C) TUNDRA DESERT 9 8 TAIGA 7 GRASSLANDS 6 5 TEMPERATE FOREST 4 2 Padrões fitofisionômicos principais emergem por diferenças na temperatura e precipitação 3 1 TROPICAL RAINFOREST *Um princípio agronômico do século XIX! PRECIPITATION (cm)

7 Em ambientes aquáticos água (por definição) não é um problema Mas LUZ e NUTRIENTES frequentemente limitam a produção primária: mesmo se o oceano possa atingir 10+ km de profundidade a fotossíntese está restrita às águas superficiais, onde há luz suficiente (<200 m; a zona eufótica) Também em lagos, nutrientes podem limitar produtividade primária Experimento de David Schindler testando a hipótese de que o fósforo é o fator limitante para a produtividade primária de lagos (Ontario, Canada). Dividiu o lago em duas metades com uma cortina. Os dois lados foram fertilizados com carbono e nitrogênio. No oceano aberto, nutrientes como N, P, e Fe ocorrem em concentrações baixíssimas. Portanto o oceano aberto é verdadeiramente UM. Estes e outros nutrientes vêm principalmente dos ambientes terrestres. Por isso, alta produtividade primária está restrita a 1. águas costeiras que recebem carga de nutrientes dos ambientes terrestres 2. Áreas onde ressurgências trazem nutrientes das água profundas para a zona eufótica Porém, o lado de cima foi fertilizado também com fósforo. Que diferença! Espetacular floração de algas azuis, corroborando a hipótese de que fósforo limita a produção primária (neste e em muitos lagos). Este experimento deu a base para legislação gerenciando de forma mais severa a poluição de fósforo (formulação de detergentes, tratamento de água) Energia é energia é energia* E qual o destino da produtividade primária? Se este é o caso, então as leis da termodinâmica também hão de ser válidas em sistemas ecológicos! Primeira lei da termodinâmica Lei da Conservação da Energia energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada Segunda lei da termodinâmica Lei da Entropia nenhuma transformação de energia é 100% eficiente *propriedade de objetos que podem ser transferidos para outros objetos ou convertida em diferentes formas **a habilidade de um sistema em gerar trabalho

8 (esta é a produção líquida) (esta é a produção bruta) PRODUZIDA convertida em nova biomassa: crescimento, reprodução, armazenamento ASSIMILADA CONSUMIDA TOTAL DISPONÍVEL perda de energia: calor respiração ~ gastos da manutenção do corpo O diagrama de tubos de Odum perda de energia: fezes DECOMPOSIÇÃO perda de energia: energia não consumida porque inacessível, dura, impalatável, etc. EFICIÊNCIA ECOLÓGICA TOTAL EFICIÊNCIA DE PRODUÇÃO LÍQUIDA EFICIÊNCIA DE ASSIMILAÇÃO EFICIÊNCIA DE CONSUMO PRODUZIDA convertida em nova biomassa: crescimento, reprodução, armazenamento ASSIMILADA CONSUMIDA TOTAL DISPONÍVEL perda de energia: calor respiração ~ gastos da manutenção do corpo O diagrama de tubos de Odum perda de energia: fezes DECOMPOSIÇÃO perda de energia: energia não consumida porque inacessível, dura, impalatável, etc. EFICIÊNCIA ECOLÓGICA TOTAL EFICIÊNCIA DE PRODUÇÃO LÍQUIDA EFICIÊNCIA DE ASSIMILAÇÃO PRINCIPAIS FATORES REGULADORES DM2 CP - + DM1 X HC + D1 - + RP EFICIÊNCIA ECOLÓGICA TOTAL EFICIÊNCIA DE PRODUÇÃO LÍQUIDA EFICIÊNCIA DE ASSIMILAÇÃO PRINCIPAIS FATORES REGULADORES % PRODUÇÃO PRIMÁRIA LÍQUIDA CONSUMIDA POR HERBÍVOROS efic. consumo + efic. assimilação % biomassa material estrutural EFICIÊNCIA DE CONSUMO PRODUTIVIDADE DO NÍVEL TRÓFICO INFERIOR, E DE FORMA MAIS GERAL, PRODUTIVIDADE PRIMÁRIA EFICIÊNCIA DE CONSUMO EFICIÊNCIA DIGESTIVA (é influenciada por propriedades da comida (p.ex. % material estrutural de difícil digestão) TAXA DE FORRAGEIO (quantidade de comida ingerida / tempo) PROPRIEDADES DA COMIDA (p.ex. % material estrutural intragável!)

9 EFICIÊNCIA ECOLÓGICA TOTAL EFICIÊNCIA DE PRODUÇÃO LÍQUIDA EFICIÊNCIA DE ASSIMILAÇÃO EFICIÊNCIA DE CONSUMO PRINCIPAIS FATORES REGULADORES OS CUSTOS DE MANUTENÇÃO (TAXAS METABÓLICAS) TAXA METABÓLICA RELATIVA [CONSUMO DE O2] (CC/GRAMA/HORA) MASSA CORPÓREA (kg) REGULAM a temperatura produzindo CALOR dentro do seu PRÓPRIO CORPO. Portanto capazes de manter alta performance ~independente das condições ambientais ENDOTERMOS mamíferos e aves ECTOTERMOS Fontes EXTERNAS de calor determinam temperatura do corpo e portanto o METABOLISMO TODOS os outros orgs CARNÍVOROS HERBÍVOROS DECOMPOSIÇÃO O EXERCÍCIO CARNÍVOROS HERBÍVOROS CONSTRUIREMOS CADEIAS ALIMENTARES TRITRÓFICAS (ISTO É, COM TRÊS NÍVEIS TRÓFICOS) EM 4 SISTEMAS MUITO DISTINTOS: SISTEMA AQUÁTICO SAVANA DOMINADA POR ECTOTERMOS SAVANA DOMINADA POR ENDOTERMO FLORESTA DOMINADA POR ENDOTERMO

10 CALOR CARNÍVOROS CALOR CICLAGEM DA MATÉRIA FLUI: eventualmente toda a energia fixada pelos produtores é perdida para o meio ( dissipada ) na forma de calor, pelo processo da respiração CALOR HERBÍVOROS CALOR DETRITÍVOROS e DECOMPOSITORES LUZ K P C H O N C MATÉRIA CICLA A ciclagem se dá por meio da transferência do nutriente em questão entre vários compartimentos, que de forma abstrata podem ser representados assim: BIOMASSA VIVA MORTE MATÉRIA ORGÂNICA MORTA ATMOSFERA CICLOS GASOSOS *Reservatório é a atmosfera *Reservatório é global por causa da mistura e movimentação constante da atmosfera *Elementos que formam compostos gasosos à temperatura ambiente *Caso de todos os elementos estruturais C, H, O e do macronutriente N LIXIVIA ÇÃO ABSOR ÇÃO POOL DE CICLAGEM nutriente em suas formas disponíveis para absorção estes processos tracejados variam de nutriente para nutriente RESERVATÓRIO a grande parte do nutriente ROCHAS CICLOS SEDIMENTARES *Reservatórios são as rochas *Reservatórios tendem a ser mais locais e ligados intimamente à história geológica do terreno *Elementos que não formam compostos gasosos à temperatura ambiente *Maioria dos demais nutrientes, com ênfase no P

11 DENITRIFICAÇÃO: processo através do qual nitrato é reduzido a nitrogênio gasoso NO 3 - Nitrobacter NO 2 - Nitrosomonas NH 3 /NH 4 + DECOMPOSITORES DETRITÍVOROS MINERALIZAÇÃO/ AMONIFICAÇÃO: proteínas em organismos mortos quebradas em aminoácidos que são oxidados em CO2, água e amônia Pseudomonas e outros N 2 O POOL DE CICLAGEM: são as formas de N disponíveis para plantas ou seja, nitrato e amônia no solo ou na água FEZES NO MATÉRIA ORGÂNICA MORTA POOL RESERVATÓRIO: compartimento ecossistêmico que contém a vasta maioria do elemento. No caso do N, a atmosfera N 2 Bactérias de vida livre no solo (15 gêneros, esp. Azotobacter e Clostridium, na rizosfera), bactérias mutualísticas simbiontes em nódulos na raiz de leguminosas (Rhizobium), e cianobactérias ( algas azuis, esp. Anabaena e Nostoc) em ambientes aquáticos quebram N 2 em 2 N; 2N + 3H 2NH 3. Processo caro, em geral subsidiado por plantas. SOLO OU ÁGUA ANIMAIS Raios e radiação cósmica FIXAÇÃO: processo através do qual N diatômico é oxidado em amônia ou nitrato NO NO 2 +H20 HNO 3 NH 3 /NH + 4 NO 3 - Nitrosomonas NO 2 - Nitrobacter NITRIFICAÇÃO: processo através do qual amônia é oxidada a nitrito e nitrato Tendências globais da criação de nitrogênio reativo por atividades humanas Consequências: chuva ácida, eutrofização, perda de biodiversidade