DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA ECOLOGIA I 3 Cr: 45 H: 15 dias

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1 Prof. Adauto de Souza Ribeiro DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA ECOLOGIA I 3 Cr: 45 H: 15 dias EMENTA Histórico. Conceitos fundamentais em Ecologia. Níveis hierárquicos de organização. Noções de Ecossistemas. Propriedades emergentes e propriedades coletivas nos ecossistemas. Ciclos biogeoquímicos. Noções de Fatores Limitantes e clima. Conteúdo e desenvolvimento Parte I 1. Princípios, conceitos e fundamentos da ecologia: História da Ecologia, métodos e modelos 2. Estrutura e organização dos ecossistemas: Teoria cibernética e da informação, meio ambiente e restrições, adaptação. Hierarquia e organização, ecotonos e gradientes, limites e variabilidade espacial e temporal. 3. Fluxo energia e da matéria nos ecossistemas: Princípios da leis da termodinâmica. Emergia. Produção e produtividade, redes e teias tróficas. Parte II 4. Diversidade biológica, estabilidade ecológica e o funcionamento dos ecossistemas: Estabilidade e resiliência, sistemas lineares e caos. 5. Grandes Ciclos Biogeoquímicos: Carbono, Nitrogênio, Fósforo, Enxofre e interações. 6. Ecologia global e dinâmica da biosfera: interações biosfera/aatmosfera. Avaliações 1ª Dissertativa parte 1 = 30%; 2ª Dissertativa parte 2 = 40%; 3ª Seminário (15%) + Monografia (15%) Freqüência (75%) Nº faltas permitidas (11 faltas) = 3 aulas Bibliografia básica Townsend C. R. Begon, M., J. & L. Harper. Fundamentos da Ecologia. Interciências Odum, E.P.. Ecologia. Interamericana, Rio de Janeiro, Brasil p. Leveque, Christian, Ecologia: do ecossistema à biosfera. Inst. Piaget. Lisboa, 2005, 571p. Krebs, C.J.. Ecology: The Experimental Analysis of Distribution and Abundance. Harper Collins College Pub. NY, 4th Ed p. Ricklefs, R.E. Economia da Natureza. 5ª ed GuanabaraKoogan p Margalef, R.. Ecologia. 2 Edicion. Ediciones Omega, S.A., Barcelona, 1977, 951 p. Margalef, R.. Limnología. Ediciones Omega, SA, Barcelona, p. Phillipson, J.. Ecologia Energética. Editora Nacional, São Paulo Pianka, N. Evolutionary Ecology. New York, Harper & Row p Pinto Coelho, R.M. Fundamentos da Ecologia. Artmed. Porto Alegre p. Projeto Seminários: Ecossistemas e seu problema ambientais: 1) Manguezais, 2) Mata Atlântica, 3) Caatinga, 4) Amazônia, 5) Cerrado; 6)Pantanal, 7)Deserto, 8) Marinho. Ecologia global: 9) Efeito estufa e aquecimento global; 10) Mudanças Climáticas do Holoceno; 11) biologia e conservação. Outros referências

2 Andrewartha, H.G. & L.C. Birch The Distribution and Abundance of Animals. Chicago UP. 782 p. Diamond, J. & T.J. Case Community Ecology. Harper & Row. Cambrigde Univ. Press, Cambridge, 665 p. ISBN X. Dodson, S.I., T.F. Allen, S.R. Carpenter, K. Elliot, A.R. Ives, R.L. Jeanne, J.F. Kitchell, N.E. Langston & M. Turner Readings in Ecology. Oxford Univ. Press, New York, 461 p. ISSN Dodson, S.I., T.F. Allen, S.R. Carpenter, A.R. Ives, R.L. Jeanne, J.F. Kitchell, N.E. Langston & M. Turner Ecology. Oxford Univ. Press, New York, 434 p. ISBN Frontier, S. & D. Pichod-Viale Écosystèmes. Dunod. Paris. 447 p. ISBN Gomes, A.G & Varriale M. C. Modelagem de Ecosssitemas: Uma introdução. Acad. Brasileira de Ciencias. EditoraUFSM p. Kormondy, E.J Concepts of Ecology. Prentice-Hall (Biological Series), New Jersey. 238 p. Legendre, P. & L. Legendre Numerical Ecology: Developments in Environmental Modelling. Elsevier. Amsterdam. 851 p. ISBN th Ed. 801 p. MacArthur, R.H Geographical Ecology: Patterns in the Distribution of Species. Harper & Row, New York. Polis, G.A. & R.O. Winemiller Food Webs. Chapman & Hall, New york, 472 p. ISBN Pourriot, R.J., P. Capblanc & J.A. Meyer Écologie du plancton des eaux continentales. Masson, Paris, 198 p. Rosenzweig, M.L Species Divesity in Space and Time. Cambridge Univ. Press, Cambridge, 436 p. ISBN Sanderson, J. & J.D. Harrys Landscape Ecology - A Top Down Approach. Lewis, Boca Raton, Fla, ISBN Tilman, D Resource Competition and Community Strucuture. Princenton Univ. Press, Princenton, N.J. Towsend, C.R., J.L. Harper & M. Begon Essential of Ecology. Blackwell, Oxford, UK, 552 p. ISBN Young, L. & J.H. Young Statistical Ecology. A Population Perspective. Kluwer Acad. Publ. The Hague. 565 p. ISBN X. Wetzel, R.G Limnological Methods W.B. Saunders. 357 pp. Wetzel, R.G Limnology. Saunders College Publishing, New York, 2nd. Ed. 767 p. ISBN Wiegert, R.G Ecological Energetics. Dowden, Hutchinson & Ross. Pennsylvania, 457 p. ISBN Links dos periódicos mais utilizados (passe o mouse...) A Água em Revista (Ministério das Minas e Energia, MME-CPRM, Brasil) Acta Scientiarum UNIMAR (Univ. Estadual de Maringá, Paraná, Brasil) ISSN Acta Limnologica Brasiliensia (Sociedade Brasileira de Limnologia - SBL, Brasil) American Naturalist (EUA) Annual Review of Ecology and Systematics (EUA), ISSN Applied and Environmental Microbiology (American Society of Microbiology, EUA) ISSN Archiv für Hydrobiologie (Schweizatbart che-gebrüder Bornträger, Suttugart, Alemanha), ISSN Canadian Journal of Botany (National Research Council - NRC, Canadá), ISSN Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences (National Research Council - NRC, Canadá) Canadian Journal of Zoology (National Research Council - NRC, Canadá), ISSN Ceres (Brasil) Ciência e Cultura (Soc. Brasileira para o Progresso da Ciência, SBPC, Brasil) Ecological Applications (Ecological Society of America-ESA, Washington, EUA), ISSN Ecological Modelling (Elesvier, The Netherlands), ISSN Ecological Monographs (Ecological Society of America-ESA, Washington, EUA) ISSN Ecology (Ecological Society of America, ESA, Washingotn, EUA), ISSN Environmental Pollution (Elsevier, The Netherlands), ISSN Environmental Toxicology (Wiley Interscience, USA), ISSN Evolution (EUA), ISSN Evolutionary Ecology, (Kluwer, The Hague), ISSN Freshwater Biology (Blackwell, Inglaterra), ISSN Functional Ecology (Blackwell, Oxford), ISSN Hydrobiologia (Kluwer, The Hague, Holanda), ISSN

3 International Review of Hydrobiology (Wiley VCH Verlag, Berlin, Alemanha), ISSN Journal of Animal Ecology (Blackwell, Oxford), ISSN Journal of Ecology (British Ecological Society, Blackwell, Oxford), ISSN Journal of American Benthological Society (NABS, USA), ISSN Journal of Experimental Marine Biology and Ecology (Elsevier, The Netherlands), ISSN Journal of Experimental Zoology (Wiley- Interscience, USA) ISSN X Journal of Freshwater Ecology, (Oikos Publishers, Inc., La Crosse WI, USA), ISSN Journal of Limnology, (Istituto Italiano Idrobiologia, CNR, Pallanza, Itália), ISSN Journal of Plankton Research, (Oxord Univ. Press, Oxford), ISSN Journal of Zoology (Cambridge Univ. Press, UK), ISSN Lake and Reservoir Management (North American Lake and Management Soc., Madison, WI, EUA), ISSN Limnology and Oceanography (American Society of Limnology, ASLO, EUA), ISSN Marine Ecology - Progress Series (Springer, Alemanha), ISSN Microbial Ecology (Springer, EUA), ISSN Nature (Inglaterra), ISSN Oecologia (Springer, Alemanha) ISSN Proceedings of the Entomological Society of Washington (EUA), ISSN Oikos (Nordic Society Oikos, Copenhagen, Dinamarca) Revista Brasileira de Biologia (Acad. Bras. de Ciências, IIE, São Carlos, Brasil) Revista Brasileira de Zoologia (Sociedade Brasileira de Zoologia, Brasil) Revista Brasileira de Botânica (Sociedade Brasileira de Botânica, Brasil) Revista Brasileira de Fisiologia Vegetal (Sociedade Brasileira de Fisiologia Vegetal, Brasil) Science (America Society for the Advance of Sience, EUA) Transactions of the American Fisheries Society (North American Fisheries Society, EUA), ISSN Water, Air and Soil Pollution (Kluwer, The Hague), ISSN Consulte o portal de periódicos da CAPES para ter acesso on line a muitos dos periódicos acima Nossa Revista Revista de Biologia Geral e Experimental Departamento de Biologia 2006.

4 Definição e História da Ecologia Exodus 7 : 14; 12 : 30 - Durante as pragas que assolaram os plantios de cereais no Egito (Nilo) e a Babilônia (Mesopotâmia), aplicaram métodos ecológicos para combater as pragas. Aristóteles, Hipócrates Séc IV AC Textos: Historia Animalum mostram o controle de pragas de ratos e gafanhotos são os primeiros registros escritos (Philosophie Aristotele, Allan 1970). Heródoto e Platão Nos textos sobre o Balanço da Natureza descreram como e onde cada espécie tem um lugar especial na natureza. Leeuwenhoek ( ) inventou o microscópio. Estudou as cadeias alimentares e a regulação das populações. (Petit Larousse Dubois, 1988) Buffon (1756) escreveu a História Natural e reconheceu que a população humana, animais e plantas estão sujeitas aos mesmos processos naturais de regulação. Malthus (1758) Ensaio sobre o principio do crescimento populacional (1798) e postulou que o numero de organismos crescem geometricamente (1, 2, 4, 8, 16...) enquanto os alimentos crescem aritmeticamente (1, 2, 3, 4,...). Verhulst (1838) Derivou a curva logística de crescimento populacional (modelo densidade independente). Farr (1843) foi o primeiro a relacionar as taxas de mortalidade à densidade local (Inglaterra). Darwin (1859) mudaram a idéia de natureza em equilíbrio perfeito (visão aristotélica). A base da mudança de pensamento: a) muitas espécies foram extintas no decorrer dos tempos; b) existe competição causada por pressão populacional; c) a seleção natural e a luta pela sobrevivência são mecanismos evidenciáveis na natureza. Haeckel 1869 propôs pela primeira vez o termo ecologia (Öekologie). Literalmente Oikos (grego) significa casa; logie estudo (Begon, Harper & Townsend, 1990). Möbius (1877) Introduziu a noção de biocenose ao descreveu o ensaio sobre uma comunidade de organismos existente num banco de ostra (oyster bed) Forbes (1887) Estudando um lago (definiu o lago como um microcosmo) sugere-o como um sistema ecológico independente. Seu pressuposto baseia-se nas espécies que estejam reunidas em uma assembléia (Assemblege) e pressupõe que qualquer evento que afete uma espécie espera-se que toda a comunidade seja afetada. Schelford (1887) Pioneiro no estudo da ecologia animal. Cowles (1899) Descreveu o processo de sucessão das plantas de duna no Lago Michigan. Ross (1908, 1911) foi o pioneiro em descrever em termos matemático a propagação da malária (Análise de sistemas modelos deterministas). Warming ( ) Estudou os efeitos da estrutura da comunidade de plantas e associação das espécies dentro da comunidade. Clements (1905) escreveu Metodologia da pesquisa em ecologia. Elton (1927) A partir do estudo de Lotka (1926) deu fundamentação teórica a ecologia animal e fundamenta os princípios da ecologia de campo. No seu livro conceitua os fatores limitantes, a distribuição e densidade. Conceitua Nicho como o status de um organismo em sua comunidade. Tansley (1935) propôs o ecossistema como unidade básica do estudo da ecologia. Elton (1949) escreve Population Interspersion onde conceitua o que é Habitat (é considerado como o pai da ecologia moderna). MacArthur (1967) Geografia ecológica e a Teoria da Biogeografia de Ilhas. Wilson (1975) fundou a Sociobiologia: uma nova síntese. Definições modernas de ecologia é: 1 Historia Natural (Elton. 1927) 2 Estudo da distribuição e abundância de organismos (Andrewartha, 1961). 3 Estudo da estrutura e da função da natureza (Odum, 1963). Ressalta os processos ecofisiológicos na determinação da estrutura dos ecossistemas. 4 Estudo das interações que determinam a distribuição e abundância dos organismos (Krebs, 1972). Ressalta as interações bióticas (competição e predação) na estrutura das comunidades.

5 5 Estudo como os organismos interagem dentro do e no mundo natural (Ricklefs, 1980). Ressalta como os empreendimentos humanos afetam os processos naturais. Alguns Princípios Gerais da Ecologia 1 sistemas ecológicos funcionam de com as leis da termodinâmica 2 O meio ambiente físico exerce uma influencia controladora na produtividade dos sistemas ecológicos. 3 A estrutura e a dinâmica das comunidades ecológicas são reguladas por processos populacionais. 4 - Através das gerações, os organismos respondem às mudanças no meio ambiente através da evolução dentro das populações. Fundamentos do Ecossistema Características fundamentais: complexidade aleatório das interações Não Variedade de subsistemas em interação Caráter linearidade descreve a dinâmica dos sistemas complexos. Abordagem Multidisciplinar matemática física química Ciências da terra biologia Métodos teóricos e práticos: modelos e escala Sistemas dinâmicos Termodinâmica de rede Reservatórios acoplados Biogeoquímicos e geoquímicos simulações modelagem Teoria de ecossistemas 1 Um sistema que recebe um fluxo de energia (def. energia de alta qualidade) utiliza esta forma particular de energia para afasta-se, o maximo possível, do equilíbrio termodinâmico: dentre as várias combinações possíveis de componentes e processos disponíveis para utilização efetiva do fluxo de energia, será privilegiada a organização que oferecer o maior armazenamento de energia. este enunciado corresponde a termodinâmica na linguagem de Darwin e atualizado por Pricogine Nicols. Estudos com modelos (simulações) indicam que serão referidos aqueles caminhos no espaço de configurações que corresponde a maior biomassa possível. Existem confirmações reais. Energia de primeira classe corresponde a energia solar utilizada pelas plantas para produzir energia bioquímica. Os ecossistemas são abertos ou, no mínimo são isolados, e necessitam, para sua existência, de um fluxo contínuo ou periódico de energia. O correspondente a uma reação química, equivalente ao enunciado geral acima, poder ser formulado: energia + nutriente => moléculas com maior organização. Conceito de complexidade equivale ao de entropia. 2 O desenvolvimento de métodos para aumentar a energia biogeoquimica armazenada, em outras palavras, para aumentar o nível de organização e informação dos ecossistemas, são os pontos chaves da evolução.

6 3 Os ecossistemas apresentam um largo espectro de possíveis soluções para crescimento e sobrevivência, mesmo nas condições as mais desfavoráveis. Isto se deve a uma combinação de fatores: Aplicabilidade das leis da termodinâmica para sistemas ecológicos. O longo tempo disponível para a evolução (4 bilhões), portanto, mesmo aqueles processos envolvendo escalas de ativação muito lentas, acabam se realizando graças a uma imensa heterogeneidade no espectro de escalas espaciais e temporais envolvidas. 4 A vida, na sua forma conhecida na terra, não é possível sem a presença dos seguintes requisitos: 20 a 30 elementos essenciais Temperaturas variando de 40ºC até 90ºC Existência de água. 5 O longo intervalo de tempo decorrido, sob pressão de seleção e sob influencia de outros componentes biológicos, durante o período de evolução de cerca de 4 bilhões de anos, desenvolveu um alto grau de simbiose (ou interdependência). Este fato está relacionado com o aparecimento do efeito Gaia. 6 Os ecossistemas procuram efetuar buscas de novos caminhos no espaço de configurações, para se afastar mais do equilíbrio termodinâmico, foram desenvolvidas diversas capacidades de autoorganização (auto-regulação), assim como feedback permitindo que o sistema aprenda com experiências anteriores. 7 Os ecossistemas apresentam uma conectividade equilibrada. Quando a conectividade é alta implica facilmente em instabilidade, quando baixa, pelo contrário, pode reduzir os efeitos indiretos, benéficos para o ecossistema. 8 Os componentes biológicos dos ecossistemas procuram ajustar seus parâmetros de forma atingir a maior organização possível e evitar a ocorrência de desordem. O limite entre a organização e desordem oferece ao ecossistema as características de adaptabilidade, probabilidade de sobrevivência e crescimento. 9 - Os ciclos da matéria e energia nos ecossistemas são uma conseqüência do fluxo de energia no sistema. 10 Devido à grande complexidade das redes de conexões / interações existentes nos ecossistemas, os efeitos indiretos são os dominantes. 11- Os ecossistemas desenvolveram vários caminhos no espaço de configurações, de tal forma que os processo de seleção podem utilizar um largo espectro de métodos de ação. 12 Os ecossistemas, em regime estável, dispõem de uma capacidade de auto-regulagem tal que mudanças das variáveis externas adequadas, para compensar ou reduzir o efeito das variações externas. 13 Os ecossistemas enfrentam mudanças em fatores externos, produzindo mudanças nas variáveis internas, de tal forma que a capacidade de auto-regulagem é aumentada. 14 Uma diversidade elevada não necessariamente implica maior estabilidade, capacidade de autoregulagem ou menor probabilidade de comportamento desordenado; por outro lado, esta diversidade elevada oferece mais possibilidades de encontrar uma solução melhor para o ecossistema como um todo, isto é, de achar soluções que acarretam maior probabilidade de sobrevivência e crescimento. 15 Os ecossistemas procuram servindo-se de toda uma hierarquia de mecanismos de regulagem, evitar a ocorrência de eventos catastróficos. Capacidade de auto-regulação (fenômeno da histerese) Eventos catastróficos são observados devidos os eventos externos que implicam na redução da capacidade auto-regulação 16 Uma brusca mudança nas condições de vida de um ecossistema pode explicar a ocorrência de algum comportamento catastrófico.

7 17 Os princípios de conservação de matéria e energia introduzem limites para o desenvolvimento dos ecossistemas. No desenvolvimento de sistemas deve ser incluído o aumento de informação. Por informação entende-se diversidade, tamanho do organismo, organização dos panoramas, especializada dos nichos, complexidade da vida, controle do feedback, todos estes pressupondo aumento do uso dos recursos disponíveis. 18 Um ecossistema procura atingir um estado estacionário, que ocorre no ponto ótimo de operação, definido pelo equilíbrio entre as forças termodinâmicas e de meio ambiente Um ecossistema, uma vez afastado de um determinado estado, jamais retorna exatamente ao mesmo ponto de operação. A combinação entre os fatores externos e internos tem probabilidade desprezível de se repetir. 20 O estado estacionário de um ecossistema pode ser considerado como um ponto atrator muito particular. Visto que a combinação entre os fatores externos e internos tem probabilidade desprezível de se repetir. 21 Um ecossistema inteiro evolui de tal maneira que todos as suas partes estão acopladas constituindo uma rede. A evolução é irreversível Os ecossistemas, ate mesmo a ecosfera, são caracterizados por um numero de componentes intermediários, definidas por escalas especificas. Os componentes são em geral diferentes entre si e exibem uma intercorrelação estruturada. 23 Os ecossistemas evoluíram de tal forma que utilizaram as oscilações das variáveis e a heterogeneidade espacial para beneficiar o sistema, tal seja, ganhar de exergia. 24 O desenvolvimento e a evolução dos ecossistemas podem ser descritos sob diversas formas paralelas: produção de entropia ou destruição de exergia, por exemplo. A escolha da abordagem mais conveniente depende do caso em estudo, dos dados e dos objetivos da descrição.