UNIVERSIDADE VALE DO ACARAÚ - UVA UNIVERSIDADE ABERTA VIDA - UNAVIDA CURSO: PEDAGOGIA DISCIPLINA: ENSINO DE CIÊNCIAS INTRODUÇÃO AO ENSINO DE CIÊNCIAS

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1 UNIVERSIDADE VALE DO ACARAÚ - UVA UNIVERSIDADE ABERTA VIDA - UNAVIDA CURSO: PEDAGOGIA DISCIPLINA: ENSINO DE CIÊNCIAS INTRODUÇÃO AO ENSINO DE CIÊNCIAS

2 INTRODUÇÃO AO ENSINO DE CIÊNCIAS As ciências naturais abarcam todas as disciplinas científicas que se dedicam ao estudo da natureza. Tratam dos aspectos físicos da realidade, ao contrário das ciências sociais, que estudam os fatores humanos. Pode-se mencionar cinco grandes ciências naturais: a biologia, a física, a química, a geologia e a astronomia. A biologia estuda a origem, a evolução e as propriedades dos seres vivos. Posto isto, encarrega-se dos fenômenos associados aos organismos vivos. A medicina, a zoologia e a botânica fazem parte da biologia. A física é a ciência natural que se centra nas propriedades e nas interações da matéria, na energia, no espaço e no tempo. Os componentes fundamentais do universo enquadram-se no seu campo de ação. A química, em contrapartida, enfoca-se na matéria: a sua composição, a sua estrutura, as suas propriedades e as alterações que esta sofre perante diferentes tipos de reações. A geologia analisa o interior do globo terrestre (matéria, alterações, estruturas, etc.). A hidrologia, a meteorologia e a oceanografia são ciências que podem ser incluídas na geologia. A astronomia, por sua vez, é a ciência dos corpos celestes. Os astrônomos estudam os planetas, as estrelas, os satélites e todos os corpos e fenômenos que se encontram mais além da fronteira terrestre. Por fim, pode-se dizer que as ciências naturais estão relacionadas com tudo aquilo que a natureza oferece. O ser humano, enquanto corpo físico, é estudado pela biologia; no entanto, a sua dimensão social faz parte das ciências sociais (como a sociologia, por exemplo). A origem da vida Segundo cientistas, o planeta Terra foi formado há aproximadamente 4,6 bilhões de anos após uma grande explosão. Na atmosfera havia muita água, gases e relâmpagos. Quando esses três elementos se juntaram, deram surgimento a diversas substâncias que começaram a fazer da Terra um ambiente propício para a vida. Os primeiros seres vivos que existiram na face da Terra datam de 3,8 bilhões de anos, e foram as bactérias que surgiram nos oceanos. Esses primeiros seres vivos eram bem simples. À medida que os anos iam passando, eles iam evoluindo e, a partir deles, outras formas de vida iam surgindo. Milhões de anos depois surgiram os organismos invertebrados. Segundo pesquisadores, as esponjas foram os primeiros animais invertebrados a surgir na Terra, há 650 milhões de anos; e há 520 milhões de anos surgiram os primeiros vertebrados. 1

3 Até o século XIX considerava-se que todos os seres vivos existentes se apresentavam como sempre tinham sido. Toda a Vida era obra de uma entidade toda poderosa, fato que servia para mascarar a não existência de conhecimentos suficientes para se criar uma explicação racional. Esta teoria, o Criacionismo, no entanto, já no tempo da Grécia antiga não era satisfatória. De modo a contornar a necessidade de intervenção divina na criação das espécies, surgem várias teorias alternativas, baseadas na observação de fenômenos naturais, tanto quanto os conhecimentos da época o permitiam. Embora ainda seja objeto de discussão entre os cientistas, uma das ideias a respeito da origem e composição da atmosfera primitiva destaca que o interior da Terra continha muitos gases, que foram liberados por erupções vulcânicas e ficaram retidos ao redor do planeta por ação da gravidade. Além desses gases, representados basicamente por nitrogênio, hidrogênio, amônia e metano, essas erupções liberavam também vapores de água. Todos esses elementos passaram a compor a atmosfera primitiva. O gás oxigênio não existia, ou existia em quantidade muito pequena. Não havia também o ozônio na atmosfera, uma vez que o ozônio é formado por átomos de oxigênio (O3) Na Terra primitiva, a quantidade de vapor de água era muito grande, causando a formação de densas nuvens na atmosfera, especialmente nas camadas mais altas, onde a temperatura é menor do que nas camadas inferiores. Com a formação dessas nuvens, começaram a ocorrer chuvas intensas, que eram acompanhadas por muitos raios. Como a superfície do planeta era muito quente, a água da chuva evaporava rapidamente, voltando para a atmosfera, onde era resfriada, formando novas chuvas. Esse ciclo se repetiu por milhares de anos, até que, com o resfriamento contínuo da superfície foi sendo acumulada, dando origem aos mares primitivos, inicialmente quentes e rasos. À medida que o tempo foi passando, o planeta foi passando por várias transformações e criando condições para o surgimento da vida, mas a pergunta que é feita desde a Antiguidade é: Qual a origem dos seres vivos?. Teorias conhecidas para explicar a origem da vida Teoria da Geração Espontânea ou Abiogênese Muitas pessoas acreditavam que um princípio ativo ou vital teria a capacidade de transformar matéria bruta em seres vivos, e a partir dessa interpretação eles elaboraram a Teoria da geração espontânea, também chamada de Teoria da abiogênese, na qual todos os seres vivos originavam-se espontaneamente da matéria bruta. Aristóteles elaborou uma dessas teorias, cuja aceitação se manteve durante séculos, com a ajuda da Igreja Católica, que a adotou. Esta teoria considerava que a vida era o resultado da ação de um princípio ativo sobre a matéria inanimada, a qual se 2

4 tornava, então, animada. Deste modo, não haveria intervenção sobrenatural no surgimento dos organismos vivos, apenas um fenômeno natural, a geração espontânea. Um dos grandes defensores da Teoria da abiogênese no século XVII foi Jean Baptista Van Helmont ( ), um importante médico belga que chegou a formular uma receita para se produzir ratos. Veja: (...) coloca-se num canto sossegado e mal iluminado trigo, fermento e camisas sujas. O resultado será que, em 21 dias, surgirão ratos (...). Hoje sabemos que os ratos que apareciam não se formavam da mistura de ingredientes, mas sim eram atraídos pela mistura. Também era considerado correto pelos naturalistas que os intestinos produzissem espontaneamente vermes e que a carne putrefata gerasse moscas. Todas estas teorias consideravam possível o surgimento de vida a partir de matéria inanimada, fosse qual fosse o agente catalisador dessa transformação, daí o estarem englobadas na designação geral de Abiogênese. Ainda considerava que a lama dos pântanos geravam rãs e cobras. O cientista inglês John Needham ( ) realizou seus experimentos para provar que os micróbios surgiam de geração espontânea. Diversos frascos contendo um caldo nutritivo foram submetidos à fervura. Depois Needham lacrava os frascos com rolhas e os deixava por repouso por alguns dias. Depois desse repouso ele examinou o caldo com a ajuda de um microscópio e notou a presença de microrganismos. A explicação dada foi que a fervura tinha matado todos os seres eventualmente presentes no caldo e nenhum microrganismo poderia entrar no frasco após de ter sido lacrado com rolhas. Portanto, só havia uma explicação! Os microrganismos surgiram por geração espontânea ou abiogênese. A teoria da abiogênese não resistiu à expansão das pesquisas e rigorosos experimentos feitos por vários pesquisadores, entre eles Redi, Spallanzani e Pasteur, que forneceram evidências incontestáveis de que os seres vivos surgiam a partir de uma vida 3

5 pré-existente. A teoria de que uma vida surge somente a partir de outra da mesma espécie ficou conhecida como teoria da biogênese. Teoria da Biogênese Ainda durante o século XVII surgiram sábios com novas ideias e dispostos a provar que a vida não provinha de matéria bruta como propunha a Teoria da abiogênese. Que foi logo descartada quando Redi, Spallanzani e Pasteur iniciaram seus experimentos. Eles provaram que um ser vivo só se origina de outro ser vivo. O experimento de Redi O médico, biólogo e cientista italiano Francesco Redi ( ) estava convencido de que a vida não surgia espontaneamente. Para provar isso fez o que chamamos de experiência controlada. Em frascos, Redi, colocou pedaços de carne, alguns frascos foram vedados com gaze, outros não. Nos frascos abertos onde moscas entravam e saíam livremente surgiam muitas larvas provenientes de ovos depositados ali. Nos frascos fechados com gaze, onde as moscas não entravam, não apareceu nenhuma larva mesmo depois de muitos dias. Redi demonstrou com tal experimento que as larvas presentes na carne putrefata se desenvolvem a partir de ovos de moscas depositadas ali, e não pela transformação da carne, como propunha a abiogênese. Para testar a sua hipótese, Redi realizou a seguinte experiência: arranjei quatro frascos de boca larga e coloquei dentro uma cobra, uns peixes, e um pedaço de vitela; fechei e selei estes fracos. Enchi outros frascos iguais com as mesmas coisas, mas deixei-os abertos. Não demorou muito a que a carne e o peixe destes 4

6 segundos frascos ficassem cheios de bichos e que as moscas fossem vistas a entrar e a sair à vontade; mas nos frascos fechados não vi um único bicho, mesmo ao fim de muitos dias (Francesco Redi). Redi contrapôs pela primeira vez a ideia do princípio ativo da Teoria da Geração Espontânea, segundo este cientista a vida surge a partir de organismos, pré-existentes. Embora fossem muitos os cientistas que acreditavam que os seres vivos nasciam diretamente da matéria não viva, havia quem duvidasse dessa hipótese, entre os quais Francesco Redi e Louis Pasteur. Com as suas experiências, esses dois cientistas basearamse na moderna investigação científica do problema da origem da vida com o único propósito de invalidar a Teoria da Geração Espontânea. Francesco Redi, numa suposição básica, demonstrou claramente que a vida não é gerada espontaneamente, acreditando que a Terra bem como os seus constituintes foram criados por um ser supremo e onipotente e, portanto, sobrenatural. Os experimentos de Needham x Spallanzani Após alguns anos o padre e pesquisador italiano Lazzaro Spallanzani ( ) repetiu os experimentos de Needham com algumas modificações. Spallanzani colocou caldo nutritivo em balões de vidro e fechou-os hermeticamente esses balões eram então colocados em caldeirões e fervidos por cerca de uma hora. Dias depois ele examinou os caldos e obteve resultados completamente diferentes aos de Needham. O caldo estava livre de microrganismos. Spallanzani explicou que Needham submeteu a solução à fervura por um tempo curto demais para esterilizar o caldo. Needham respondeu às críticas afirmando que o tempo longo usado pelo cientista destruía a força vital ou princípio ativo que dava vida à matéria, e ainda tornava o ar desfavorável ao aparecimento da vida. 5

7 Em fins do século XVII pôde-se entender porque o ar se tornava desfavorável ao aparecimento da vida. Descobriu-se que o oxigênio é essencial à vida. Segundo abiogenistas o aquecimento prolongado e a vedação hermética excluíam o oxigênio tornando impossível a sobrevivência de qualquer forma de vida. A polêmica abiogênese X biogênese continuou existindo até cerca de 1860, quando a abiogênese sofreu seu golpe final. Pasteur derruba a abiogênese Foi por volta de 1860 que um grande cientista francês conseguiu provar definitivamente que seres vivos só podem se originar de outros seres vivos. Louis Pasteur ( ) preparou um caldo de carne excelente meio de cultura para micróbios colocou então, esse caldo em um frasco com pescoço de cisne e submeteu o líquido contido dentro desse frasco à fervura para a esterilização. Após a fervura a medida que o líquido resfriava, gotículas de água se acumulavam no pescoço do frasco agindo como uma espécie de filtro retendo os micróbios contidos no ar que penetrava no balão, impedindo a contaminação do caldo. Esse experimento mostrou que não era a falta de ar fresco que impedia a formação de microrganismos no caldo. Pasteur provou também que não havia nenhuma força vital que era destruída após a fervura, pois se aquele mesmo caldo esterilizado fosse submetido ao ar sem a filtragem que o balão pescoço de cisne proporcionava, surgiriam sim microrganismos que advinham de contaminação. 6

8 Coloquei em frascos de vidro os seguintes líquidos, todos facilmente alteráveis, em contato com o ar comum: suspensão de lêvedo de cerveja em água, suspensão de lêvedo de cerveja em água e açúcar, urina, suco de beterraba, água de pimenta. Aqueci e puxei o gargalo do frasco de maneira a dar-lhe curvatura; deixei o líquido ferver durante vários minutos até que os vapores saíssem livremente pela estreita abertura superior do gargalo, sem tomar nenhuma outra precaução. Em seguida, deixei o frasco esfriar. É uma coisa notável, capaz de assombrar qualquer pessoa acostumada com a delicadeza das experiências relacionadas à assim chamada geração espontânea, o fato de o líquido em tal frasco permanecer imutável indefinidamente... Parecia que o ar comum, entrando com força durante os primeiros momentos (do resfriamento), deveria penetrar no frasco num estado de completa impureza. Isto é verdade, mas ele encontra um líquido numa temperatura ainda próxima do ponto de ebulição. A entrada do ar ocorre, então, mais vagarosamente e, quando o líquido se resfriou suficientemente, a ponto de não mais ser capaz de tirar a vitalidade dos germes, a entrada do ar será suficientemente lenta, de maneira a deixar nas curvas úmidas do pescoço toda a poeira (e germes) capaz de agir nas infusões... Depois de um ou vários meses no incubador, o pescoço do frasco foi removido por golpe dado de tal modo que nada, a não ser as ferramentas, o tocasse, e depois de 24, 36 ou 48 horas, bolores se tornavam visíveis, exatamente como no frasco aberto ou como se o frasco tivesse sido inoculado com poeira do ar. Com esta experiência engenhosa, Pasteur também demonstrava que o líquido não havia perdido pela fervura suas propriedades de abrigar vida, como argumentaram alguns de seus opositores. Além disso, não se podia alegar a ausência do ar, uma vez que este entrava e saía livremente (apenas estava sendo filtrado). Com esse espetacular experimento Pasteur recebeu um prêmio compensador da Academia Francesa de Ciências e derrubou de uma vez por todas a hipótese da geração espontânea ou abiogênese. Com isso o problema da origem da vida se tornou preocupante, pois se os organismos surgem a partir de outros, como foi que se originou o primeiro? De onde veio a vida? Após anos de pesquisas, aceitaram a biogênese para explicar qual a origem de um ser vivo. Essa teoria afirma que um ser vivo só pode surgir através de outro já vivo. A partir daí, a origem da vida passou a preocupar cada vez mais os cientistas. Pois, se os organismos surgem a partir de outros preexistentes, como foi que se originou o primeiro? Muitos buscam responder a essa pergunta formando várias ideias. A mais antiga de todas as ideias sobre a origem da vida é a origem por criação divina. Essa até hoje é aceita por fiéis de várias religiões. Tal ideia afirma que um ser superior Deus seja o 7

9 originador de tudo o que existe no universo, incluindo a vida. Ele teria criado tudo sucessivamente e individualmente. E desde a criação tudo se mantém exatamente como no princípio, excluindo, porém a evolução das espécies. A Panspermia A panspermia, foi apresentada em 1908 pelo químico sueco Svante Arrhenius, é uma teoria que busca explicar a origem da vida. Segundo ela, nosso planeta foi povoado por seres vivos ou elementos precursores da vida oriundos de outros planetas; que se propagaram por meteoritos e poeira cósmica até a Terra. A ideia é que uma civilização adiantada em alguma parte do universo talvez tenha deliberadamente contaminado a Terra com vida como experiência. Essa contaminação de vida ocorreu através de esporos aderidos a meteoritos que vieram parar no nosso planeta. Essa teoria sugere que não apenas compostos orgânicos inanimados, mas até organismos vivos completos podem ter chegado do espaço. Mas essa teoria não é muito esclarecedora, já que não responde a pergunta inicial sobre a origem do primeiro ser vivo. Se a vida se formou em outro planeta, como isso aconteceu? Para muitos, aceitá-la apenas responderia sobre o surgimento da vida na Terra tornando, ainda, obscura a resposta acerca de como ela se formou, realmente. Além disso, muitos cientistas argumentam sobre a possibilidade quase negativa de seres extraterrestres atravessarem os raios cósmicos e ultravioletas sem serem lesados. Apesar de toda a boa vontade envolvida, nenhuma destas teorias avança verdadeiramente no esclarecimento do problema pois apenas desloca a questão para outro local, não respondendo à questão fundamental: Como surgiu a vida? Teoria da evolução química Um avanço fundamental ocorreu com as teorias de Pasteur e de Darwin, permitindo abordar o problema sob uma perspectiva diferente. 8

10 Uma das hipóteses que buscam explicar os primeiros milhões de anos da Terra foi elaborada de modo independente em 1924 por dois pesquisadores: o russo Aleksander Ivanovich Oparin ( ) e o inglês John Burdon Haldane ( ). Segundo Oparin e Haldane, a radiação ultravioleta e os raios teriam desencadeado reações entre algumas moléculas existentes na atmosfera primitiva, formando as primeiras moléculas orgânicas, fundamentais para a constituição do corpo dos seres vivos. Trazidas da atmosfera pela água das chuvas, essas moléculas orgânicas simples acumularam-se nos mares primitivos, onde teriam dado origem a moléculas orgânicas mais complexas. Estas teriam se aglomerado, formando conjuntos de moléculas orgânicas envoltas por moléculas de água: os coacervados. A possibilidade de terem surgido, na Terra primitiva, estruturas como os coacervados nos dá indícios de que outros sistemas orgânicos isolados do meio poderiam também ter se estabelecido e originado as primeiras células. Não sabemos, no entanto, como isso deve ter acontecido. Dados obtidos a partir de diversos campos da ciência permitiram em 1936 que o russo Alexander Oparin formula-se uma teoria revolucionária, que tentava explicar a origem da Vida na Terra, sem recorrer a fenômenos sobrenaturais ou extraterrestres. Sua hipótese se resume nos seguintes fatos: Na atmosfera primitiva do nosso planeta, existiriam metano, amônia, hidrogênio e vapor de água. Sob altas temperaturas, em presença de centelhas elétricas e raios ultravioletas, tais gases teriam se combinado, originando aminoácidos, que ficavam flutuando na atmosfera. Com a saturação de umidade da atmosfera, começaram a ocorrer as chuvas. Os aminoácidos eram arrastados para o solo. Submetidos a aquecimento prolongado, os aminoácidos combinavam-se uns com os outros, formando proteínas. As chuvas lavavam as rochas e conduziam as proteínas para os mares. Surgia uma "sopa de proteínas" nas águas mornas dos mares primitivos. As proteínas dissolvidas em água formavam coloides. Os coloides se interpenetravam e originavam os coacervados. Os coacervados englobavam moléculas de nucleoproteínas. Depois, organizavam-se em gotículas delimitadas por membrana lipoprotéica. Surgiam as primeiras células. Essas células pioneiras eram muito simples e ainda não dispunham de um equipamento enzimático capaz de realizar a fotossíntese. Eram, portanto, heterótrofas. Só mais tarde, surgiram as células autótrofas, mais evoluídas. E isso permitiu o aparecimento dos seres de respiração aeróbia. Atualmente, se discute a composição química da atmosfera primitiva do nosso planeta, preferindo alguns admitir que, em vez de metano, amônia, hidrogênio 9

11 e vapor de água, existissem monóxido de carbono, dióxido de carbono, nitrogênio molecular e vapor de água. Em 1953, Stanley Miller, na Universidade de Chicago, realizou em laboratório uma experiência. Colocou num balão de vidro: metano, amônia, hidrogênio e vapor de água. Submeteu-os a aquecimento prolongado. Uma centelha elétrica de alta tensão cortava continuamente o ambiente onde estavam contidos os gases. Ao fim de certo tempo, Miller comprovou o aparecimento de moléculas de aminoácido no interior do balão, que se acumulavam no tubo em U. Miller e seu experimento Esboço do experimento de Miller O sistema foi aquecido e recebeu descargas elétricas, simulando a temperatura elevada da época e as tempestades que ocorriam. No condensador a mistura dos gases era resfriada, simulando o resfriamento da Terra, pois as gotículas de água acumuladas escorriam, simulando as chuvas. O aquecimento provocava o ciclo desse processo. Miller manteve esse sistema por uma semana. Após esse tempo, a água do reservatório, ou armadilha, foi analisada através de vários experimentos e mostrou a presença de aminoácidos e outras substâncias químicas mais simples. Hoje sabemos que os gases presentes na atmosfera eram bem diferentes dos propostos por Oparin e utilizados por Miller. Experimentos recentes demonstraram que a atmosfera primitiva era formada por gás carbônico (CO2), metano (CH4), monóxido de carbono (CO) e gás nitrogênio (N2). Mesmo que Miller não tenha usado os mesmos gases, seu experimento mostra que nas condições da Terra primitiva era possível a formação de aminoácidos. 10

12 A evolução das espécies Entende-se por evolução a adaptação dos seres vivos às alterações ocorridas no meio ambiente. Uma característica comum a todos os seres vivos, segundo as teorias evolucionistas, é a capacidade de evolução. A evolução dos seres vivos é o processo do desaparecimento ou do surgimento de novas espécies devido a variabilidade genética. Esse processo é muito lento e pode levar até milhares de anos por isso é difícil de acompanhar o processo de evolução. O aparecimento e o aumento da variabilidade entre os seres devem-se principalmente à ocorrência de mutações e à reprodução sexuada. As mutações - alterações que ocorrem ao acaso no material genético dos seres vivos - provocam o aparecimento de novas características. Estas novas características podem ser vantajosas para a adaptação do ser ao ambiente ou não. Esse fenômeno de sobrevivência dos seres mais aptos - isto é, melhor adaptados - é o que Charles Darwin( ) chamou de seleção natural. "Mais apto" não significa ser "mais forte". O mais apto, em certos ambientes, pode ser o com menor tamanho; o que consegue camuflar-se, o que tem mais filhotes; enfim, o que tem características que favorecem a vida e a reprodução no ambiente onde ele vive. De acordo com Darwin, o processo de seleção natural age constantemente. A cada modificação no ambiente, é possível haver indivíduos, antes adaptados, que não suportem as novas condições ambientais. Por exemplo, uma mudança drástica no ambiente aquático é a poluição, desta maneira peixes antes adaptados as condições da água só irão sobreviver se tiverem "algo" a mais que os permita viver no ambiente poluído. Este "algo" a mais pode ser a característica de suportar metais tóxicos na água, que anteriormente não lhe trazia vantagem na reprodução, mas agora traz porque ele consegue sobreviver naquele ambiente. Lamarck considerava que o desenvolvimento de certas características adquiridas por alguns seres vivos devia-se à mudança do ambiente que os rodeia. Dando o exemplo dos pescoços das girafas, Lamarck afirmava que a falta de vegetação rasteira, fez com que as girafas tivessem que procurar alimento noutro sítio, por isso, elas tentariam alcançar os ramos das árvores para se alimentarem. Os esforços sucessivos para atingir os ramos das árvores levaram ao aumento dos pescoços das girafas (lei do uso e do desuso o uso de um dado órgão leva ao seu desenvolvimento e o desuso de outro conduz a sua atrofia). As características adquiridas anteriormente, iriam ser transmitidas aos descendentes (lei da transmissão dos caracteres adquiridos as modificações seriam depois transmitidas as gerações seguintes). 11

13 Apesar de Jean-Baptiste Lamarck apresentar a primeira teoria a fim de explicar o evolucionismo, foi Charles Darwin, no século XIX, quem provocou inúmeras discussões e indecisões acerca do criacionismo, fazendo com que admitissem as transformações ocorridas nos seres vivos por causa das alterações do meio ambiente que acontecem constantemente. Os fósseis, a partir deste período, tornaram-se importantíssimos para o estudo evolucionista, já que podem comprovar a evolução de inúmeras espécies de seres vivos apresentando organismos simples de um determinado período que aparece em outro com características mais complexas, mostrando as alterações ocorridas ao longo do tempo. 12

14 Na medida em que o evolucionismo se espalhava, vários cientistas tentavam explicar este processo, o que originou inúmeras teorias, onde se destacava o Lamarckismo e o Darwinismo. Por causa da evolução, os seres vivos foram ganhando novas características e herdando outras, e estas transformações que ocorrem ao longo do tempo são estudadas pela genética que procura respostas acerca da origem das características e da transmissão para outras gerações. O que é variabilidade genética? Se observarmos atentamente, veremos que, por mais semelhantes que possam, ser os indivíduos de uma população apresentam algumas diferenças entre si. Chamamos essas diferenças entre os seres de variabilidade. Vamos pensar no bicho-pau. Esse animal é muito parecido com um graveto de uma árvore que, muitas vezes, é difícil distingui-lo do ambiente. Para este inseto, ser semelhante a um graveto é uma vantagem, pois ele pode camuflar-se no ambiente e não ser notado por seus predadores. 13

15 Mesmo na população de bichos-paus, existem diferenças entre os indivíduos. Aqueles menos parecidos com os gravetos das árvores serão mais caçados pelos predadores, portanto, terão chances menores de conseguir se reproduzir. Se somente os bichos-paus mais parecidos com os gravetos conseguirem se reproduzir essa característica será passada para a nova geração (ou para os próximos bichos-paus), continuando na população. No decorrer do tempo ainda é possível que uma população se modifique tanto a ponto de ser considerada uma nova espécie. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CONCEITO DE CIÊNCIAS NATURAIS. Disponível em: <Conceito de ciências naturais - O que é, Definição e Significado Acesso em 20 de jul COSTA, ALICE M. C. L.; SCRIVANO, CARLA NEWTON. Oficina do saber Ciências. São Pulo: Leya, 2013 EVOLUÇÃO. Disponível em: < 1.htm> Acesso em 20 de jul EVOLUÇÃO. Disponível em: < Acesso em 20 de jul ORIGEM DA VIDA. Disponível em: < Acesso em 20 de jul

16 UNIVERSIDADE VALE DO ACARAÚ - UVA UNIVERSIDADE ABERTA VIDA - UNAVIDA CURSO: PEDAGOGIA DISCIPLINA: ENSINO DE CIÊNCIAS FUNDAMENTOS DA ECOLOGIA 15

17 FUNDAMENTOS DA ECOLOGIA No século XIX, o biólogo naturalista alemão Ernst Haeckel partindo da observação de que o conhecimento biológico nunca é completo quando o organismo é estudado isoladamente, deu um novo rumo à História Natural hoje Biologia, criando uma nova ciência a Ecologia. Foi o cientista alemão Ernst Haeckel, em 1869 em sua obra Generelle Morphologie der Organismen, quem primeiro usou este termo para designar o estudo das relações entre os seres vivos e o ambiente em que vivem, além da distribuição e abundância dos seres vivos no planeta Terra, passando a existir como ramo das ciências da natureza. Antes disso, muitos estudiosos tinham contribuído para o assunto, apesar de a palavra ecologia não estar em uso. O termo eco deriva do grego oikos, que significa lugar onde se vive, com o sentido de casa, ambiente, e logos, que significa estudo, ciência, tratado. No sentido literal, Ecologia seria o estudo dos seres vivos em sua casa, no seu ambiente, ou ainda, a ciência que estuda as relações dos seres vivos com o meio ambiente. Assim, o estudo do "ambiente da casa" inclui todos os organismos contidos nela e todos os processos funcionais que a tornam habitável. Enfim, a ecologia é o estudo do "lugar onde se vive", com ênfase sobre "a totalidade ou padrão de relações entre os organismos e o seu ambiente". Meio ambiente Para a ciência ecológica, o meio ambiente é o conjunto de condições físicas (luz, temperatura, pressão...), químicas (salinidade, oxigênio dissolvido...) e biológicas (relações com outros seres vivos) que cercam o ser vivo, resultando num conjunto de limitações e de possibilidades para uma dada espécie: o meio ambiente é tudo que nos cerca. Sempre heterogêneo, o meio ambiente segue variando de um local para outro, dando origem a agrupamentos de seres vivos diferentes. Tais agrupamentos comunidades interferem na composição do meio e são beneficiados ou prejudicados com essas transformações. O meio ambiente assim evolui, para melhor ou pior, conforme a espécie considerada. Num lago que recebe adubo, proveniente de projetos agrícolas na vizinhança se for considerada a população de algas, esta vai ser favorecida, aumentando as suas possibilidades de desenvolvimento, pela maior oferta de nitratos e fosfatos; porém, se forem considerados os peixes, estes têm suas possibilidades de desenvolvimento limitadas pela redução de oxigênio, ocasionada pala grande proliferação de algas, e como resultado morrem asfixiados. O meio ambiente melhorou para as algas e piorou para as populações de peixes. 16

18 O meio ambiente está sempre mudando e evoluindo. O clima, os seres vivos e as próprias atividades humanas modificam o ambiente e são influenciadas por essas modificações, gerando novas alterações. Esta é a essência da evolução. Alguns seres vivos são incapazes de adquirir os recursos que necessitam e se extinguem. Outros desenvolvem constantemente melhores formas de adaptação aos problemas do meio mutante. Diz-se que estes evoluíram. Podemos dizer então que o meio ambiente é seletivo na medida em que certas características dão aos seus possuidores certa vantagem na sobrevivência e procriação. Diz-se que os indivíduos melhor adaptados ao ambiente mutante foram selecionados, por meio da seleção natural. No século XIX, a poluição nas cidades inglesas fez com que a seleção natural atuasse em uma espécie de mariposas. No início da industrialização a maioria das mariposas salpicadas era clara com manchas escuras, confundindo-se com as cascas das árvores e escondendo-se de seus predadores. Quando a fuligem das fábricas escureceu as árvores e a paisagem urbana de um modo geral, as mariposas claras ficaram mais visíveis aos pássaros. Alguns anos depois as mariposas escuras tornaram-se mais comuns nas cidades e as claras salpicadas prevaleciam nos campos, menos poluídos. Tal fenômeno de seleção natural ficou conhecido como melanismo industrial. A seleção nem sempre é natural. O homem aprendeu a utilizar a mutação para produzir organismos que atendam a algum propósito útil ou desejável, criando o processo de seleção artificial. Os organismos assim obtidos sobrevivem no ambiente sob a proteção humana. Um exemplo típico é a galinha doméstica, seu ancestral das selvas africanas é extremamente astuto e bota cerca de uma dúzia de ovos por ano. Algumas galinhas domésticas botam uma dúzia de ovos por mês, são extremamente dóceis, perderam a astúcia e, se fossem devolvidas ao seu ambiente natural, seriam extintas. O meio ambiente é sempre o conjunto de possibilidades físicas, químicas e biológicas para cada indivíduo espécie de uma comunidade. Neste sentido, a espécie Homo sapiens, entre milhões de espécies da Terra, tem sido o foco de toda atenção da ciência ecológica, dada a sua capacidade de transformar as condições ambientais, em nome da qualidade de vida humana. Habitat e Nicho ecológico O meio ambiente é o palco onde se desenrola todo o estudo da ecologia. Neste, cada espécie considerada tem um endereço habitat, e desenvolve uma profissão nicho ecológico. Habitat O habitat de um organismo é o local onde ele vive; ou ainda, é o ambiente que oferece um conjunto de condições favoráveis ao desenvolvimento de suas necessidades básicas nutrição, proteção e reprodução. 17

19 Na natureza, as espécies são encontradas em lugares determinados. É como se fosse um endereço. Por exemplo: a onça e o gambá vivem na floresta e não no deserto; o camelo e o rato-canguru vivem no deserto e não em uma floresta; a curimatá vive no rio e não no mar; a sardinha vive no mar e não no rio. Esses exemplos mostram que cada espécie está adaptada para viver em um determinado ambiente: floresta, deserto, água doce, água salgada, etc. Assim, podemos dizer que o tubarão tem habitat aquático (água salgada) e a onça tem hábitat terrestre. Dentro da água e sobre a terra, podemos ainda diferenciar inúmeros habitat. E em um mesmo habitat pode haver diferentes espécies. Teoricamente, o habitat seria aquele ambiente em que as condições ambientais atingem o ponto ótimo e uma espécie consegue reproduzir em toda a sua plenitude, ou seja, consegue desenvolver o seu potencial biótico. Porém, a reprodução sem oposição não pode manter-se por muito tempo em um ambiente de recursos limitados. Desse modo, o ambiente se encarrega de controlar o crescimento da população através da resistência ambiental, o que pode fazer com que a população retorne ao ponto de partida. A resistência ambiental compreende todos os fatores fome, enfermidades, alterações climáticas, competição, etc. que impedem o desenvolvimento do potencial biótico. O processo funciona do seguinte modo: quando a densidade populacional aumenta, aumenta também a resistência ambiental, que por sua vez origina uma diminuição da densidade populacional. A interação entre o potencial biótico e a resistência ambiental resulta num aumento, ou numa diminuição, do número total de organismos de uma população, ou seja, o seu crescimento populacional. O habitat é então a região onde a resistência ambiental para a espécie é mínima, ou seja, onde ela encontra melhores possibilidades de sobrevivência. Nicho O nicho ecológico é o papel de uma espécie numa comunidade como ela faz para satisfazer as suas necessidades. As algas, por exemplo, têm o seu habitat na água superficial de um lago (zona iluminada), e parte do seu nicho ecológico é a produção de matéria orgânica, através da fotossíntese, a qual serve de alimento para sua população e para alguns animais. O nicho não inclui apenas o espaço físico ocupado por um organismo, mas também seu papel funcional na comunidade (sua posição trófica, por exemplo) e sua posição nos gradientes ambientais de temperatura, umidade, ph, solo e outras condições para a sua existência. É o modo de vida de uma espécie em um ecossistema, ou seja, é o conjunto de atividades ecológicas desempenhadas por uma espécie no ecossistema. Compreende o que a espécie faz no meio ambiente: como utiliza a energia circulante; o que come, onde, como e em que momento do dia isso ocorre; como procede em relação às outras espécies e ao próprio ambiente; em que horas do dia ou em que estação do ano 18

20 tem maior atividade; quando e como se reproduz; de que forma serve de alimento para outros seres ou contribui para que naquele local se instalem novas espécies. A palavra nicho começou a ganhar sua conotação científica atual quando Charles Elton escreveu em 1933 que o nicho de um organismo é seu modo de vida no sentido em que falamos de ocupações ou empregos ou profissões em uma sociedade humana. O nicho de um organismo começou a ser usado para descrever como, em vez de onde, um organismo vive. O conceito moderno de nicho foi proposto por Evelyn Hutchinson em 1957 e se refere às maneiras pelas quais tolerâncias e necessidades interagem na definição de condições e recursos necessários a um indivíduo (ou espécie) a fim de cumprir seu modo de vida. A temperatura, por exemplo, é uma condição que limita o crescimento e a reprodução de todos os organismos, mas organismos distintos toleram faixas diferentes de temperatura. Esta faixa é uma dimensão de um nicho ecológico de um organismo. Existem muitas dimensões para o nicho de uma espécie: sua tolerância a várias outras condições (umidade relativa, ph, velocidade do vento, fluxo de água e assim por diante) e sua necessidade de recursos variados (nutrientes, água, alimento e assim por diante). Como se conhece o nicho ecológico de uma espécie? Para conhecer o nicho ecológico de determinada espécie, precisamos saber do que ela se alimenta, onde se abrigam, como se reproduz, quais os seus inimigos naturais, etc. Vamos ver alguns exemplos: a cutia e a onça podem ser encontradas na Mata Atlântica; possuem, então, o mesmo habitat. No entanto, os nichos ecológicos desses animais são diferentes. A cutia é herbívora, alimentando-se de frutos, sementes e folhas; abriga-se em tocas ou em tocos de árvores e serve de alimento para animais diversos, como a própria onça. Já a onça é carnívora, alimenta-se de animais diversos, como cobras e macacos, e não vive em tocas. Como se vê, cutias e onças têm modos de vida diferentes, isto é, desempenham diferentes atividades dentro de um mesmo ecossistema. Logo, o nicho ecológico da cutia é diferente do nicho ecológico da onça. Assim, cada habitat, proporciona muitos nichos diferentes. Duas espécies de animais e plantas que ocupam o mesmo habitat não podem ter exatamente o mesmo nicho ecológico por muito tempo. Quando isso ocorre, as duas espécies competem, o que leva uma delas a desaparecer, cedendo lugar à outra. Essa ideia é chamada de princípio Fe Gause, em homenagem ao biólogo russo Georgyi Frantsevich Gause ( ), que a formulou. De modo geral, pode-se dizer que existem duas estratégias diferentes quanto ao modo como se dá a exploração do ambiente por uma espécie, isto é, o seu nicho ecológico. Algumas espécies, ditas generalistas apresentam nichos mais amplos, o que lhes confere maior chance de sobrevivência frente às mudanças que ocorrem no ambiente. Outras, as espécies especialistas, possuem nichos mais estreitos, isto é, utilizam de forma estrita um determinado recurso. Há vantagens e desvantagens em cada uma dessas estratégias. A especialização implica menor competição com outras espécies; 19

21 por outro lado, a generalização permite maior flexibilidade quanto às possibilidades de alimentação, abrigo, etc. Pelas mãos da espécie humana, voluntária ou involuntariamente, muitas espécies de animais e de plantas se dispersaram pelo globo, principalmente nos últimos quinhentos anos (a partir das Grandes Navegações). Nesse caso, deram-se melhor as espécies generalistas, capazes de explorar novos territórios e descobrir novas fontes de alimento onde quer que fossem levadas. É o caso dos ratos, dos pardais, de certas espécies de formigas e de alguns tipos de gramíneas. Muitas das espécies especialistas, por sua vez, tendem a desaparecer atualmente, pois não conseguem sobreviver às mudanças ambientais provocadas pelo ser humano. Níveis de organização biológica A melhor maneira de entender o campo de estudo da ecologia moderna é utilizando-se do conceito de níveis de organização dos seres vivos. Nestes, um arranjo hierárquico agrupa os seres vivos partindo de sistemas biológicos simples para biossistemas cada vez mais complexos, formando um todo unificado. A ecologia estuda fundamentalmente os quatro últimos níveis desta sequência. Entendendo-se por: População: conjunto de indivíduos de uma mesma espécie que ocupa uma determinada área; Comunidade: conjunto de populações que interagem de forma organizada, vivendo numa mesma área; Ecossistema: conjunto resultante da interação entre a comunidade e o ambiente inerte; Biosfera ou ecosfera: sistema que inclui todos os organismos vivos da Terra, interagindo com o ambiente físico, como um todo. 20

22 População População é definida como o conjunto de indivíduos da mesma espécie (ou seja, seres vivos de um mesmo grupo que são capazes de se reproduzirem, produzindo descendentes férteis) vivendo numa mesma região. As populações reúnem os indivíduos de uma mesma espécie que podem interagir entre si em um determinado habitat. Suas fronteiras naturais são determinadas principalmente pela capacidade de dispersão, pelo fluxo de indivíduos, tolerância ecológica e pelas interações com outros indivíduos da mesma população ou mesmo de outras espécies. Uma população tem diversas propriedades que, embora mais bem expressas como variáveis estatísticas são propriedades únicas do grupo e não são características dos indivíduos no grupo. Algumas dessas propriedades são: densidade, natalidade (taxa de nascimento), mortalidade (taxa de morte), distribuição etária, potencial biótico, dispersão e formas de crescimento e selecionadas. As populações também possuem características genéticas que estão diretamente relacionadas a suas ecologias, ou seja, a capacidade de adaptação, sucesso reprodutivo e persistência (a probabilidade de deixar descendentes durante longos períodos de tempo). Comunidade É o conjunto de populações coexistindo numa mesma região. Numa comunidade, os seres vivos interagem, isto é, estabelecem relações entre si. Diz-se que existe uma interdependência entre os seres vivos. Se, por exemplo, os vegetais desaparecessem, toda a comunidade ficaria ameaçada, pois os animais não encontrariam mais alimentos e acabariam morrendo. Outro exemplo: O extermínio de cobras em uma determinada região pode favorecer um aumento excessivo no número de ratos e outros roedores, que servem de alimento às cobras. O aumento exagerado das populações de ratos e outros roedores podem provocar na região uma grande redução na população de gramíneas e vegetais herbáceos, que servem de alimento a esses animais. Sem a cobertura vegetal, o solo fica exposto à erosão pelas águas das chuvas e tende a ficar estéril, dificultando o desenvolvimento de plantas nessa área. Da mesma forma, se os microrganismos decompositores presentes no solo desaparecessem, não haveria a decomposição dos cadáveres dos animais e dos restos vegetais. Sendo assim, não haveria também a formação do humo que fertiliza o solo e fornece sais minerais aos vegetais. Diferentes populações pertencentes a um conjunto de espécies de plantas e animais coexistem dentro de determinadas combinações de condições ambientais 21

23 formam as comunidades ecológicas. Em maior ou menor escala, a performance de cada espécie (que pode ser inferida pelo tamanho de sua população) influencia e é influenciada, seja direta ou indiretamente, pela presença das demais espécies. É claro que algumas têm efeitos bem mais marcantes que outras, sejam devido à sua representatividade que pode ser somada à importância da função que desempenham. Estas espécies de maior importância, conhecidas como espécies-chave, são fortes reguladoras do funcionamento e, por conseguinte, da estrutura e da própria evolução das comunidades. Em função disso, alterações nas abundâncias das espécies componentes provocam modificações de diferentes magnitudes que se propagam no espaço e no tempo, alterando o funcionamento e o destino das comunidades a que pertencem. Assim, cada população deve se restringir a uma determinada região de um espaço de recursos e condições, que define seu nicho ecológico, e que combina corretamente faixas de temperatura, disponibilidade de água, nutrientes e luz, de modo a promover o crescimento, a manutenção e a reprodução dos indivíduos constituintes de suas populações. As comunidades estruturam-se gradualmente através da colonização, permanência ou substituição de diferentes espécies de animais e plantas no tempo, no processo conhecido como sucessão ecológica. A presença ou não de uma determinada espécie será determinada pela sua capacidade de dispersão, sua tolerância ecológica, habilidade competitiva e interações com seus predadores, parasitoides e patógenos. Ecossistema É o conjunto de uma comunidade de diferentes espécies interagindo umas com as outras e com seu meio físico de matéria e energia. Os ecossistemas podem variar de tamanho, de uma poça d água a um riacho, de um trecho de uma mata a uma floresta inteira ou um deserto. Os ecossistemas são formados pelos componentes biótico e abiótico. Os seres vivos de uma comunidade são os componentes bióticos de um ecossistema. Os fatores físico-químicos do ambiente (luz, água, calor, oxigênio, etc.) são os componentes abióticos de um ecossistema. Os organismos vivos e o seu ambiente não vivo estão inseparavelmente inter-relacionados e interagem entre si. Os ecossistemas podem ser naturais ou artificiais. Se considerarmos cuidadosamente qualquer parte de qualquer das comunidades uma parte de floresta, uma lagoa ou um recife de coral começaremos a ver que nenhum dos organismos vivos nessas áreas existe isoladamente; ao contrário, cada um está envolvido em numerosas relações, com outros organismos e com fatores do ambiente físico. Os pormenores desse relacionamento variam segundo o lugar. 22

24 Biosfera O conjunto de todos os ecossistemas terrestres forma a biosfera. É a região do planeta que contém todo o conjunto dos seres vivos e na qual a vida é permanentemente possível. O termo permanentemente possível é atrelado ao conceito de biosfera significando ambiente capaz de satisfazer às necessidades básicas dos seres vivos de forma permanente. Neste contexto, a biosfera não passa de uma delgada casquinha em torno do planeta, uma vez que as condições de vida vão diminuindo à medida que nos afastamos da superfície, até que cessam a, aproximadamente, 7 km acima do nível do mar e abaixo deste não ultrapassa a 6 km. No total a biosfera não vai além de 13 km de espessura. Para satisfazer as necessidades dos seres vivos, são necessários, por um lado, a presença de água, luz e calor e matéria para a síntese dos tecidos vivos e, por outro, ausência prejudiciais à vida como substâncias tóxicas, radiações ionizantes e variações extremas de temperaturas. A biosfera apresenta todas essas condições: uma fonte externa de luz e calor o Sol; água que chega a cobrir ¾ da superfície do planeta e substâncias minerais em contínua reciclagem nos seus vários ambientes. Apresenta ainda um escudo contra radiação ionizantes provenientes do Sol a camada de ozônio e grandes massas de água que se encarregam de manter a temperatura média do planeta em torno de 15 C, sem grandes variações. Na realidade o termo correto para biosfera seria ecosfera (eco = oikos = casa), correspondendo ao conjunto de biosfera, atmosfera, litosfera e hidrosfera. Porém, popularizou-se o termo biosfera que é usado no seu sentido funcional e não descritivo, ficando está dividida em três regiões físicas distintas: Litosfera camada superficial sólida da Terra, constituída de rochas e solos, acima do nível das águas. Compreende ¼ da biosfera, apresenta variações de temperatura, umidade, luz, etc. e possui enorme variedade de flora e fauna; 23

25 Hidrosfera representada pelo ambiente líquido: rios, lagos e oceanos. Recobre ¾ da superfície total do planeta, apresenta condições climáticas bem mais constantes do que na litosfera, salinidade variável (nos oceanos chega a 35 gramas/litro) e possui menor variedade de plantas (20 para 1) e de animais (9 para1) que a litosfera; Atmosfera camada gasosa que circunda toda a superfície da Terra, envolvendo, portanto, os dois ambientes acima citados. A história da Terra começou há 4,6 bilhões de anos e o início da vida remota a aproximadamente 1,1 bilhão de anos depois o ser vivo mais antigo conhecido, uma bactéria, formou-se há cerca de 3,5 bilhões de anos. Nas eras posteriores, a vida foi se diversificando cada vez mais: o padrão de evolução assemelha-se a uma árvore com uma espécie na ponta do ramo. De um tronco único, os seres vivos evoluíram e formaram os reinos do mundo vivo: monera, protista, fungi, vegetais e animais. Os primeiros exemplares do reino vegetal datam de cerca de 1,5 bilhão de anos estes foram para a terra firme há cerca de 420 milhões de anos. Os insetos surgiram há 250 milhões de anos, os mamíferos há cerca de 170 milhões de anos e o homem há 46 milhões de anos. Comparando com a idade da Terra, a espécie Homo sapiens está na sua infância, principalmente se considerarmos os seus impulsos destrutivos. Cadeias e teias alimentares Os ecologistas atribuem um nível alimentar, ou nível trófico (do grego trophos, que significa nutrição ), a cada organismo em um ecossistema, dependendo se ele é um produtor ou consumidor, e se ele come ou decompõe. Os produtores pertencem ao primeiro nível trófico, os consumidores primários ao segundo nível trófico, os consumidores secundários ao terceiro nível, e assim por diante. Todos os organismos, vivos ou mortos, são fontes de alimentos para outros organismos. Uma lagarta come uma folha, um pássaro come a lagarta, o gavião come o pássaro. Os decompositores consomem a folha, a lagarta, o pássaro e o gavião, depois de mortos. Como resultado, existe pouco desperdício nos ecossistemas naturais. Uma sequência de organismos, na qual cada um serve como fonte de alimento para o próximo, recebe o nome de cadeia alimentar. Ela determina como a energia e os nutrientes passam de um organismo ao outro pelo ecossistema. 24

26 Obviamente, os ecossistemas de verdade são mais complexos. A maioria dos consumidores se alimenta de mais de um tipo de organismo que, por sua vez, são consumidos por mais de um tipo de consumidor. Como a maior parte das espécies participa de diversas cadeias alimentares, os organismos da maioria dos ecossistemas formam uma complexa rede de cadeias alimentares interligadas denominada teia alimentar. Uma das características fundamentais de todos os ecossistemas é o fluxo de matéria e energia que configura as relações tróficas entre seus componentes bióticos. O 25

27 estudo dos ecossistemas sob esse ponto de vista tem contribuído para compreender as frequentes alterações nos ecossistemas, decorrentes de intervenções humanas. Os Consumidores A energia entra no mundo animal pela atividade dos herbívoros, animais que comem plantas (inclusive frutas e outras partes dos vegetais). Cada ecossistema possui seu conjunto característico de herbívoros. Grande parcela do material consumido pelos herbívoros é excretada sem digestão. Parte da energia química é transformada em outros tipos de energia calorífica e cinética - ou consumida no próprio processo de digestão. Uma parte do material é convertida em biomassa animal. O nível seguinte em uma cadeia alimentar, o nível do consumidor secundário, implica um carnívoro, animal comedor de carne, que devora o herbívoro. O carnívoro pode ser um leão, um peixe, um pássaro ou uma aranha. Em todos esses casos, somente uma pequena parte da substância orgânica presente no corpo do herbívoro é incorporada ao corpo do consumidor. Algumas cadeias têm níveis de consumidores terciários e quaternários, mas cinco elos são geralmente o limite absoluto, principalmente por causa da perda implicada na passagem de energia de um nível trófico para outro. Consumidores importantes em uma cadeia alimentar são também os decompositores e os parasitas. Pirâmides ecológicas São diagramas usados para expressar o número de indivíduos, a quantidade de biomassa e energia nos níveis tróficos. Nelas, cada nível trófico está representado por uma barra, cujas dimensões são equivalentes aos valores representados. Cada nível trófico na cadeia ou teia alimentar contém certa quantidade de biomassa, o peso seco de toda a matéria orgânica contida nesses organismos. A energia química armazenada na biomassa é transferida de um nível trófico ao outro. A porcentagem de energia transferida em forma de biomassa de um nível trófico ao outro denomina-se eficiência ecológica. Ela varia de 2% a 40% (ou seja, uma perda de 60% a 98%), dependendo dos tipos de espécies e do ecossistema envolvido, mas 10% é o valor típico. Supondo uma eficiência ecológica de 10% (90% de perda) em cada transferência trófica, se as plantas de uma área conseguir capturar 10 mil unidades de energia do Sol, isso significa que apenas cerca de mil unidades estarão disponíveis para alimentar os herbívoros e somente cem unidades para os carnívoros. Quanto maior o número de etapas ou níveis tróficos em uma cadeia ou teia alimentar, maior a perda cumulativa de energia à medida que ela flui para os níveis 26

28 tróficos. A pirâmide de fluxo de energia ilustra essa perda de energia em uma cadeia alimentar simples, supondo 90% de perda energética em cada transferência. As pirâmides de fluxo de energia explicam porque a Terra pode manter mais pessoas se elas se alimentarem em níveis tróficos menores, ingerindo grãos, vegetais e frutas diretamente, em vez de submeter tais plantações a outro nível trófico, e se alimentar dos consumidores de grãos, como o gado. A grande perda energética entre níveis tróficos sucessivos também explica porque é raro as cadeias e teias alimentares terem mais de três ou quatro níveis. Na maioria dos casos, resta pouquíssima energia, ao final de quatro ou cinco transferências, para suprir os organismos que se alimentam em níveis tróficos maiores. Como consequência, existem relativamente poucos carnívoros de topo, como a águia, o falcão, o tigre e o tubarão branco. Tão fenômeno também explica o porquê de essas espécies serem geralmente as primeiras a sofrer quando seus ecossistemas são destruídos e tão vulneráveis à extinção. O fluxo de energia por uma cadeia alimentar é frequentemente representada por um gráfico de relações quantitativas entre os diferentes níveis tróficos. Como são dissipadas grandes quantidades de energia e de biomassa em cada nível trófico, de tal modo que cada um conserva quantidade menor que o precedente, esses digramas quase sempre assumem a forma de pirâmides. A pirâmide ecológica nome de um diagrama desse tipo - pode ser uma pirâmide de números, uma pirâmide de biomassa, ou pirâmide de fluxo de energia. A pirâmide de números mostra o número de organismos individuais presentes em cada nível. A pirâmide de biomassa apresenta ou o peso seco total dos organismos em cada nível ou o número de calorias em cada nível. Quase sempre a massa de produtores é maior do que a de consumidores. Às vezes, no entanto, uma pirâmide de biomassa pode apresentar-se invertida. No esquema a seguir, lado direito, percebe-se que no momento da medição, a biomassa de fitoplâncton é bem menor que a de zooplâncton. Isso pode parecer estranho; ocorre, porém, que a taxa de reprodução do fitoplâncton é muito mais elevada que a do zooplâncton, e a velocidade de consumo do fitoplâncton pelo zooplâncton é muito grande. Fica fácil compreender, assim, que uma biomassa 27

29 aparentemente pequena de produtores possa sustentar uma biomassa grande de consumidores de primeira ordem. Uma pirâmide de fluxo de energia mostra a produtividade dos diferentes níveis tróficos. São o modo mais satisfatório de representação. Essas pirâmides nunca são invertidas: elas mostram sempre, de forma clara, o princípio da perda de energia que ocorre a cada nível trófico. Um dos inconvenientes de qualquer tipo de pirâmide é o fato de não estarem retratados nelas os decompositores, que são importantes componentes dos ecossistemas. Sucessão ecológica Todas as comunidades mudam sua estrutura e composição ao longo do tempo em resposta às mudanças das condições ambientais. As comunidades biológicas não são entidades estáticas ao longo do tempo. Na realidade, os conjuntos das populações passam constantemente por alterações graduais e contínuas. O que hoje é uma exuberante floresta, um ecossistema estável, cheio de espécies vegetais de grande porte interagindo com populações de animais, pode ter sido um ecossistema mais simples, frágil, composto por poucas espécies de gramíneas. A esse processo de contínua alteração dos ecossistemas se dá o nome de sucessão ecológica. 28

30 Uma das mais interessantes características observadas nas comunidades é o fato de que elas mudam continuamente de estado, como por exemplo, a sua composição específica. Esse fato é muito evidente quando há um distúrbio externo, como fogo ou enchente. Mesmo quando as comunidades estão em equilíbrio, tal estado é dinâmico. Há uma constante troca de espécies, que estão continuamente saindo e entrando no sistema. A sucessão ecológica refere-se a uma sequência de mudanças estruturais e funcionais que ocorrem nas comunidades, mudanças essas que, em muitos casos, seguem padrões mais ou menos definidos. Trata-se de uma mudança que se superpõe a flutuações e ritmos mais breves, com progressiva ocupação do espaço e aumento da complexidade estrutural. À medida que avança a sucessão, a intensidade dos ritmos e flutuações tende a diminuir. Os ecólogos reconhecem dois tipos de sucessão ecológica, definidos conforme o tipo de ambiente em que a sucessão se origina. A sucessão primária tem início em terrenos que nunca foram habitados anteriormente por uma comunidade composta das mesmas espécies presentes durante a sucessão. É o caso, por exemplo, da sucessão que ocorre na superfície de rochas nuas e em dunas de areia. O tempo necessário para que uma sucessão primária atinja o clímax pode contar milhares de anos. A sucessão primária normalmente leva um longo tempo milhares ou dezenas de milhares de anos. Antes que uma comunidade possa se estabelecer em terra, é preciso haver solo. Dependendo em grande parte do clima, os processos naturais precisam de várias centenas a vários milhares de anos para produzir solo fértil. Em um outro tipo mais comum de sucessão ecológica, a sucessão secundária, uma série de comunidades com diferentes espécies pode se desenvolver em alguns lugares que têm solo ou sedimento de fundo. Esse desenvolvimento começa em uma área onde a comunidade natural de organismos foi perturbada, removida ou destruída, mas o solo ou sedimento de fundo permanece. Entre os candidatos à sucessão secundária estão fazendas abandonadas, florestas queimadas ou desmatadas, riachos poluídos e terra represada ou inundada. Como há algum solo ou sedimento presente, é possível que a nova vegetação germine em algumas semanas. As sementes podem estar presentes nos solos ou podem ser transportadas de plantas próximas pelo vento ou por aves e outros animais. Durante a sucessão primária ou secundária, perturbações como desmatamento, incêndios naturais ou causados pelo homem podem transformar um estágio específico de sucessão em um estágio anterior. Tais perturbações criam novas condições que incentivam algumas espécies e desincentivam ou eliminam outras. 29

31 Sucessão Ecológica Primária Sucessão Secundária De acordo com o período considerado da sucessão, as comunidades apresentam características específicas, razão pela qual é comum dividir em três categorias: comunidades pioneiras, intermediárias e clímax. Crescimento das populações Antes de considerarmos como os ecólogos estudam as populações, precisamos saber de que modo eles definem populações. Uma população consiste nos indivíduos de uma espécie dentro de determinada área em certo intervalo de tempo. O número de indivíduos numa população pode variar com o suprimento de alimento, a taxa de 30

32 predação, a disponibilidade de lugares para ninho e outros fatores ecológicos naquele habitat. Em qualquer momento no tempo, um ser vivo ocupa apenas um local no espaço e tem uma determinada idade e tamanho. Os membros de uma população, contudo, distribuem-se no espaço e diferem em idade e tamanho. A distribuição de idade dos indivíduos de uma população e a maneira como estes indivíduos espalham-se pelo ambiente definem a estrutura populacional. Os ecólogos estudam a estrutura populacional porque a distribuição espacial dos indivíduos e as suas idades influenciam a estabilidade das populações e afetam como estas populações interagem com outras espécies. O número de indivíduos de uma população por unidade de área (ou volume) constitui sua densidade populacional. A densidade populacional exerce fortes influências sobre como os indivíduos de uma população interagem uns com os outros e com populações de outras espécies. Cientistas que trabalham com agricultura, conservação ou medicina, normalmente tentam manter ou aumentar as densidades populacionais de algumas espécies (plantas cultivadas, animais utilizados para caça, espécies esteticamente atraentes, espécies ameaçadas de extinção) e reduzir a densidade de outras (pragas agrícolas, patógenos). Para manejar as populações, precisamos saber quais fatores fazem suas densidades aumentar ou diminuir e como eles funcionam. A estrutura de uma população se modifica continuamente porque eventos demográficos nascimento, mortes, imigração (movimento de indivíduos para dentro de uma área) e emigração (movimento de indivíduos para fora de uma área) são fatos comuns. O conhecimento de quando os indivíduos nascem e morrem fornece uma quantidade surpreendente de informações sobre uma população. O estudo das taxas de nascimento, óbito e movimentação, que criam a dinâmica populacional (mudanças na densidade e estrutura das populações), denomina-se demografia. Assim, pode-se observar que as populações apresentam um comportamento dinâmico, continuamente mudando no tempo por causa dos nascimentos, mortes e movimentos de indivíduos. Estes processos são influenciados pelas interações entre indivíduos e seus ambientes e uns com os outros. Curvas de crescimento populacional Qualquer população tem potencial para crescer indefinidamente. Se a mortalidade fosse zero, uma única bactéria, reproduzindo-se a cada 20 minutos, levaria apenas 36 horas para produzir descendência suficiente para cobrir toda a superfície da Terra. Um único paramécio poderia produzir, em alguns dias, uma massa de indivíduos correspondente a 10 mil vezes a massa da Terra. Um único casal de pássaros, chocando de 5 a 6 ovos por ano, ao final de 15 anos produziria 10 milhões de descendentes. Essa 31

33 capacidade máxima de crescimento de uma população biológica denomina-se potencial biótico. Gráfico que mostra a curva de potencial biótico para uma população de microrganismos com índice de mortalidade zero, no período considerado, e na qual a população duplica a cada hora. Gráficos com curva semelhante são esperados para qualquer população biológica. Esse tipo de curva é característico de um crescimento em progressão geométrica, em que, a intervalos iguais de tempo, o número de indivíduos da população dobra. em progressão geométrica, em que, a intervalos iguais Em condições naturais, o potencial de crescimento de uma população é limitado pela disponibilidade de recursos como alimento, de espaço e de abrigo bem como pela ação de possíveis predadores, parasitas e populações competidoras. A esse conjunto de fatores que limitam o crescimento de uma população dá-se o nome de resistência do meio. A resistência do meio cresce proporcionalmente ao aumento da densidade populacional, até atingir um ponto em que as taxas de natalidade e de mortalidade são equivalentes e o número de indivíduos da população permanece mais ou menos constante ao longo do tempo. A curva de crescimento real de uma população, portanto, resulta da interação entre seu potencial biótico (isto é, sua capacidade de crescer) e a resistência imposta pelo habitat onde ele vive. Em uma representação gráfica, o crescimento de uma população a partir de uns poucos indivíduos iniciais descreve uma curva em forma de S (curva sigmóide), que ascende até o limite máximo de indivíduos que o ambiente consegue suportar. Denomina-se esse limite carga biótica máxima do ambiente. 32

34 Gráfico que apresenta a curva de crescimento de uma população a partir de um pequeno número de indivíduos iniciais. O aspecto da curva resulta da interação entre o potencial biótico da espécie e a resistência do meio. Fatores limitantes Recurso pode ser definido como qualquer substância ou fator que é consumido por um organismo e que sustenta taxas de crescimento populacional crescentes à medida que sua disponibilidade no ambiente aumenta. O consumo inclui mais do que apenas comer. Para animais sésseis, o espaço (lugares abertos disponíveis) é um recurso. Entre as cracas que crescem nas rochas na zona de mesolitoral, os indivíduos precisam de espaço para crescer, e as larvas necessitam de espaço para assentar-se e chegar à vida adulta. A aglomeração aumenta a mortalidade adulta e reduz a fecundidade pela limitação tanto do crescimento dos próprios adultos quanto pelo recrutamento (assentamento) de larvas. Os espaços abertos promovem a reprodução e o recrutamento, e os indivíduos consomem lugares abertos à medida que colonizam e crescem sobre eles. Lugares para esconderijo e outros lugares seguros constituem um outro tipo de recurso. Cada área de habitat tem um número limitado de buracos, frestas ou retalhos de cobertura densa nos quais os organismos podem escapar da predação ou buscar refúgio de um clima rigoroso. À medida que alguns indivíduos ocupam os melhores lugares, outros devem se assentar em lugares menos favoráveis; consequentemente, eles podem sofrer uma mortalidade mais alta. 33

35 Que fatores não são recursos? A temperatura não é um recurso. Temperaturas mais altas podem elevar as taxas de reprodução, mas os indivíduos não consomem a temperatura. Um indivíduo não muda a temperatura do ambiente em detrimento de outro. Relações ecológicas São interações que ocorrem entre organismos de uma comunidade biológica. Podem ser classificadas em intraespecíficas que são as relações estabelecidas entre indivíduos da mesma espécie e interespecíficas que se estabelecem entre indivíduos de espécies diferentes. São classificadas também como harmônicas, que são caracterizadas pelo benefício mútuo de ambos os seres vivos, ou de apenas um deles, sem o prejuízo do outro; e desarmônicas as quais são caracterizadas pelo prejuízo de um de seus participantes em benefício do outro. Relações intra-específicas harmônicas Sociedades - são associações entre indivíduos da mesma espécie, organizados de um modo cooperativo e não ligados anatomicamente. Ex: abelhas, cupins e formigas. As sociedades de insetos são dominadas por uma ou poucas fêmeas poedeiras, denominadas rainhas. As rainhas nas colônias de formigas, abelhas e vespas se acasalam somente uma vez durante toda a vida, e armazenam espermatozóides suficientes para produzir todos os seus filhotes, até cerca de 1 milhão ou mais durante anos em algumas formigas ceifeiras. A prole não reprodutora de uma rainha coleta alimento e cuida dos irmãos e irmãs em desenvolvimento, alguns dos quais se tornam sexualmente maduros, deixam a colônia para se acasalar e estabelecem novas colônias. Abelhas Em todas as sociedades sempre observamos a existência de hierarquia, uma divisão de funções para cada membro participante da sociedade, o que gera indivíduos especialistas em determinadas funções dentro da sociedade o que aumenta a eficiência 34

36 do conjunto e sobrevivência da espécie, a ponto de os animais serem adaptados na estrutura do corpo às funções que realizam, por exemplo: formigas-soldados são maiores e possuem mais veneno (mais ácido fórmico) que as formigas-operárias; a abelha-raínha é grande e põe ovos, enquanto que as abelhas operárias são menores e não põem ovos. Colônias - é o agrupamento de indivíduos da mesma espécie ligados anatomicamente uns aos outros e com interdependência fisiológica. Nas colônias pode ou não ocorrer divisão do trabalho. Quando as colônias são constituídas por organismos que apresentam a mesma forma, não ocorre divisão de trabalho, todos os indivíduos são iguais e executam todos eles as mesmas funções vitais, nesses casos as colônias são denominadas colônias isomorfas como as colônias de corais. Quando as colônias são constituídas por indivíduos com formas e funções distintas ocorre uma divisão de trabalhos, então essas colônias são denominadas colônias heteromorfas. Ex: algas coloniais Volvox, corais e caravelas (Physalia physalis) Relações intra-específicas desarmônicas Corais Canibalismo - é uma relação de predatismo intra-específico em que seres de uma mesma espécie comem outros seres da sua própria espécie. Ex: Muitas espécies de peixes devoram os alevinos de sua própria espécie, jacarés e crocodilos também devoram filhotes das suas espécies; a aranha viúva-negra e os insetos louva-a-deus, logo após acasalamento, a fêmea devora o macho para obter as proteínas de seu organismo, necessárias para desenvolver os ovos no seu organismo. Viúva-negra 35

37 Competição intra-específica - é uma relação de competição entre indivíduos da mesma espécie, que concorrem pelos mesmos fatores do ambiente, que existem em quantidade limitada. Ex: Machos de uma mesma espécie precisam competir entre si pelas fêmeas dessa mesma espécie, fenômeno esse chamado "seleção sexual". Na verdade existe muito exibicionismo evidente nos comportamentos relacionados à competição que ocorre durante a seleção sexual nas populações das espécies em geral. Relações interespecíficas harmônicas Simbiose: o termo simbiose significa literalmente viver junto. Usualmente é empregado para descrever a biologia de pares de organismos que vivem juntos e não se maltratam. Logo, a simbiose incluiria o mutualismo, a protocooperação e o comensalismo Mutualismo: é uma relação obrigatória que envolve benefício mútuo. O mutualismo é uma das relações mais harmônicas da natureza. Nesta relação ocorre um benefício mútuo como na cooperação, no entanto as espécies necessariamente precisam viver conjuntamente, isto quer dizer que caso sejam separadas não conseguiram viver livremente. Exemplos clássicos incluem os térmitas e sua fauna intestinal de protozoários capazes de produzir enzimas celulolíticas e os líquens que são o resultado de uma associação entre fungos e algas. Os líquens Outro exemplo são os cupins que são organismos que vivem comendo madeira, seja de árvores ou mesmo de construções humanas, sendo que o principal componente das estruturas vegetais é a celulose, presente em suas paresdes celulares. Enquanto algumas espécies de protozoários, principalmente do gênero triconinfa apresentam em seu intestino enzimas especializadas para digerir a celulose. Um fato muito interessante é que apesar dos cupins comerem muita madeira são incapazes de digeri-la. Mas ao se associar com os protozoários passa a ocorrer uma relação de troca, visto que os cupins abrigam em intestino os protozoários que digerem a celulose, e, portanto, se beneficiam, enquanto os próprios protozoários conseguem 36

38 alimento abundantemente e de forma fácil, já que os cupins não param de comer a madeira. Esta associação é indissolúvel, pois caso ocorra a separação ambos não conseguiriam sobreviver e terminariam por morrer. Comensalismo: apenas uma das partes envolvidas beneficia-se enquanto a outra nada perde e nada ganha por meio desta relação. É incomum. As plantas epifíticas de florestas tropicais (bromélias e orquídeas) e suas árvores hospedeiras constituem em exemplos desta interação ecológica. Além disso, a relação de comensalismo evoluiu entre grandes herbívoros e algumas espécies de aves predadoras de insetos. Aves como as garças-vaqueiras normalmente forrageiam no chão ao redor da cabeça e dos pés dos mamíferos, onde capturam insetos afugentados pelos cascos e boca. As garças-vaqueiras que forrageiam próximo aos mamíferos pastejadores capturam mais alimentos com menos esforço do que as garças que forrageiam mais longe. O benefício para as garças é claro; os mamíferos não ganham nem perdem. Tubarão e rêmora Um outro exemplo clássico é o que ocorre entre os tubarões e a rêmora, dois peixes carnívoros, apenas diferenciando o tamanho e ferocidade dos tubarões com relação às rêmoras. A rêmora é um pequeno peixe que apresenta ventosas em sua região dorsal e que facilmente prende-se a outros animais maiores. No entanto, costumamos vê-las presas à região ventral de tubarões, prende-se aí com o objetivo de conseguir um pouco das sobras deixadas pelo grande carnívoro, esta relação em nada atrapalha o tubarão em suas atividades, por isso apenas a rêmora se beneficia. Protocooperação - Nesse tipo de relação, embora as duas espécies envolvidas sejam beneficiadas, elas podem viver de modo independente, sem que isso as prejudique. Ex: associação entre anêmona-do-mar e caranguejo-eremita. Este tem o corpo mole e costuma ocupar o interior de conchas abandonadas de gastrópodes. Sobre a concha, costumam instalar-se uma ou mais anêmonas-do-mar (actínias). Dessa união, surge o benefício mútuo: a anêmona possui células urticantes, que afugentam os 37

39 predadores do paguro, e este, ao se deslocar, possibilita à anêmona uma melhor exploração do espaço, em busca de alimento. É uma relação não-obrigatória que envolve benefício mútuo. Constituem exemplos as plantas e seus polinizadores ou seus agentes dispersores. A leguminosa Acacia cornigera e suas formas formigas, pássaros que comem piolhos, formigas e ectoparasitas em vertebrados (boca de crocodilo, dorso de grandes mamíferos). Uma outra relação de protocooperação evoluiu entre o rinoceronte e outra espécie de ave; as aves conhecidas como búfulas arrancam os carrapatos que se alimentam de sangue da pele dos mamíferos pastejadores. A ave ganha uma refeição e o mamífero ganha alguma proteção contra o parasito. Crocodilo e pássaro palito A relação entre o crocodilo e o pássaro palito é um exemplo como a natureza é sábia, pois são organismos que a princípio um se encaixa como presa e o outro como predador, no entanto, devido às necessidades serem maiores, estes se associam em cooperação. Os crocodilos são animais piscívoros, ou seja, se alimentam de peixes e por consequência de seu hábito alimentar e a estrutura de sua arcada dentária uma grande quantidade de carne fica presa nos seus dentes, o que acaba incomodando. Já os pássaros palitos, apresentam hábitos alimentares à base de peixes. Outro fato é que os crocodilos como são animais heterotérmos, precisam aquecer a temperatura de seus corpos constantemente, pois quando estão mergulados perdem muito calor, então uma forma de acelerar este processo é abrindo bem a sua enorme boca permitindo que sua atividade respiratória auxilie o mecanismo. Então, quando está com suas bocarras abertas e com muitos pedaços de peixe presos em seus dentes posteriores, o pássaro palito aproveita a oportunidade e rapidamente retira esse material, se beneficiando diretamente pela aquisição de alimento de forma abundante e rápida e o crocodilo por sua vez se livra de uma possível dor de dente. Relações interespecíficas desarmônicas Predação: a predação pode ser genericamente definida como sendo o ato de um animal consumir outro organismo para dele alimentar-se. Esse ato envolve, na maioria 38

40 dos casos, a morte da presa. A predação é um dos fatores ecológicos mais importantes, pois afeta não somente as populações mas também toda a comunidade. A relação predador-presa em comunidades estáveis evolui de modo a estabelecer equilíbrio entre os indivíduos da relação. A população de predadores pode determinar a densidade de presas, assim como o inverso também pode ocorrer. Um exemplo próximo, da ação do predador sobre a população de presas, é o que está acontecendo no pantanal mato-grossense. Ali havia muitos jacarés que controlavam a população de suas presas: as piranhas. Atualmente, a matança de jacarés nas regiões do pantanal, movida por interesses humanos pela exploração de couro, reduziu a população desses animais. Com isso, houve aumento da população de piranhas. Um exemplo clássico da relação predador-presa no controle populacional tanto do predador quanto da presa é dado pelas lebres e pelos linces que vivem nas regiões frias do Canadá. A Companhia da Baía de Hudson acompanhou, de 1845 a 1935, a quantidade de peles desses animais que eram caçados. Os dados estão no gráfico a seguir. À medida que aumenta o número de lebres, aumenta o número de linces, que passam a ter mais alimento. O aumento do número de linces reduz o número de lebres, pois estas serão mais predadas. Quando a população de lebres diminui, a população de linces também diminui. Havendo menos linces, um menor número de lebres é predado e a população de lebres aumenta, recomeçando o ciclo. Parasitismo: é uma relação desarmônica entre seres de espécies diferentes, em que um deles é o parasita que vive dentro ou sobre o corpo do outro que é designado hospedeiro, do qual retira alimentos. Cachorro com carrapato 39