Apostila de Biologia 09 Energia e Matéria nos Ecossistemas Matheus Borges 1.0 Fluxo de energia A fonte de energia para os seres vivos é o Sol. No ecossistema, é sempre o produtor que apresenta o maior nível de energia. A transferência de energia na cadeia alimentar é unidirecional. Tem inicio com a captação da energia luminosa pelos produtores e termina com a ação dos decompositores. Em cada nível trófico, parte da energia armazenada nas moléculas orgânicas é utilizada na realização de trabalho e liberada na forma de calor. A energia é gradualmente dissipada ao passar pelos níveis tróficos. Isso ocorre porque todos os seres vivos consomem parte da energia do alimento para a manutenção de sua própria vida. Quanto mais curta for a cadeia, maior será a quantidade de energia disponível para os níveis tróficos mais elevados. A energia gasta pelos organismos vivos não é reaproveitada. A quantidade de energia solar que entra no ecossistema é igual à energia calorífera que deixa o ecossistema (leis da termodinâmica). Biomassa: massa total de matéria orgânica contida em um ser vivo (ou em um conjunto de seres vivos). 2.0 Pirâmides Ecológicas C3 C2 4 3 Nível Trófico: Posição CONSUMIDORES PRIMÁRIOS 2 PRODUTORES 1 Tipos: Pirâmide de energia Pirâmide de número Pirâmide de biomassa
2.1 Pirâmide de Energia Mostra a quantidade de energia química disponível em cada nível trófico. Não depende do tamanho dos organismos. Nunca é invertida, pois mostra uma conseqüência natural das leis da termodinâmica. 1ª Lei: A energia pode ser transformada, porem jamais é criada ou destruída. 2ª Lei: Todo processo de transformação de energia há sempre liberação de energia calorífica, não aproveitável. Falha: Não apresenta: Os decompositores. A matéria orgânica armazenada. Exemplo: 100 kcal Tecidos humanos 1.000 kcal Bezerro 10.000 kcal Alfafa 2.2 Pirâmide de Números Exemplo: Indica a quantidade de indivíduos existentes em cada nível trófico de uma cadeia alimentar. Falha Não representa adequadamente a quantidade de matéria orgânica existente nos diversos níveis tróficos. 20 aves 300 gafanhotos 1.000 plantas 100 pulgas 3 macacos 1 árvore 2.3 Pirâmide de Biomassa Exemplo: Quantidade de biomassa ou matéria orgânica constituinte dos seres vivos. Falha: Não leva em consideração o fator tempo. Atribui a mesma importância a diferentes tipos de tecidos vegetais e dos animais. 1 adulto 1 tonelada de gado 10 toneladas de soja
3.0 Conceito de Produtividade Produtividade primária: PPB (Produtividade primária bruta) Quantidade de energia que os seres fotossintetizantes (autótrofos) conseguem converter em biomassa, em determinado intervalo de tempo. PPL (Produtividade primária líquida) Energia armazenada na biomassa dos produtores, medida durante um intervalo de tempo. Temos que: PPL = PPB - R R perda energética na respiração celular Curiosidade: As algas produz cerca de 35% a mais de matéria orgânica do que uma floresta tropical. A explicação é que nas algas não há, como nas plantas, tecidos não-produtivos, isto é, que não fazem fotossíntese, como madeira, fibras etc. Produtividade secundária: PSL (Produtividade secundária líquida) Quantidade de matéria orgânica armazenada no corpo no corpo de um ser vivo em determinado intervalo de tempo, já subtraído o que foi gasto para manter o seu metabolismo. 4.0 Ciclos Biogeoquímicos As substâncias inorgânicas que participam dos ecossistemas não necessitam de um suprimento constante a partir de uma fonte externa, porque essas substâncias estão em constante reciclagem, sendo sempre reaproveitadas. O processo de reciclagem é realizado por certos fungos e bactérias (decompositores) Os decompositores promovem a degradação de cadáveres e fezes, transformando as moléculas em substancias orgânicas em moléculas simples, que passam para o ambiente não - vivo e podem ser reutilizadas. Tipos de ciclos: Ciclo da água. Ciclo do carbono. Ciclo do nitrogênio. Ciclo do oxigênio.
4.1 Ciclo da Água Encontrada em 3 estados físicos: sólido,líquido e gasoso. A água esta intimamente associada aos processos metabólicos de todos os seres vivos. Pode ser considerado sob dois aspecto: Pequeno ciclo da água: Clico das chuvas. Contribui para tornar o clima da terra favorável à vida. Grande ciclo da água: A água é absorvida pelos seres vivos e participada de seu metabolismo, sendo posteriormente devolvida ao ambiente. Condensação (chuvas) Respiração e transpiração de plantas e animais H 2 O atmosférico (nuvens) Gutação Grande ciclo Pequeno ciclo Excreção Geleiras Evaporação H 2 O Líquida (mares, lagos, rios e geleiras) Água subterrânea Morte e decomposição Derretimento Utilização pelas plantas 4.1.1 Tabela: Plantas x Animais Obtenção de água Função da água no metabolismo Devolução da água ao ambiente Plantas Raízes Matéria prima para a fotossíntese - Transpiração (vapor); - Respiração (vapor); - Gutação (liquida); Animais Bebendo ou ingerindo alimentos Síntese substâncias de -Transpiração (vapor); - Respiração (vapor); - Excreção (liquida);
4.2 Ciclo do Nitrogênio Elemento fundamental na formação dos aminoácidos e das proteínas. Faz parte de duas classes importantes de substâncias orgânicas: Proteínas; Ácidos nucléicos; Constitui cerca de 79% da atmosfera terrestre e existe também dissolvido em água. A grande maioria de seres vivos não consegue utilizar o nitrogênio (N 2 ), e por isso, depende de umas espécies de conhecidas como bactérias fixadoras de nitrogênio. 4.2.1 Fixação de Nitrogênio Bactérias fixadoras: Cianobactérias (bactéria de vida livre). Rhizobium (rizóbios) (bactéria encontrada no interior de células de organismos eucarióticos) FIXAÇÃO DO NITROGÊNIO ATMOSFÉRICO N 2 atmosférico Desnitrificação Assimilação pelos herbívoros Bactérias fixadoras de N 2 nos nódulos de raízes de leguminosas Excreção Decompositores Morte e decomposição Absorção pelas raízes NO 3 - (nitrato) Bactéria desnitrificante Absorção de NH 3 por algumas plantas Nitrobacter Bactérias fixadoras de N 2 no solo NH 3 (amônia) NO 2 - (nitrito) Nitrosomonas Nitrificação
4.2.1.1 Bactéria Rhizobium (rizóbios) Vivem associadas às raízes de plantas leguminosas (feijão, soja, ervilha etc.). Invadem as raízes de plantas jovens, instalando-se e reproduzindo-se no interior de suas células. Estimula a multiplicação das células infectadas, o que leva a formação de tumores (nódulos). Devido à associação com os rizóbios, as plantas leguminosas podem viver em solos pobres em compostos nitrogenados. Os rizóbios utilizam como alimento as substâncias orgânicas fabricadas pela planta. Ao morrer e se decompor, as plantas leguminosas liberam, em forma de amônia (NH 3 ), o nitrogênio de suas moléculas orgânicas, fertilizando o solo. 4.2.2 Nitrificação É o processo de formação de nitratos no solo. Composto nitrogenado mais empregado pelos vegetais é o nitrato (NO 3 - ), porém algumas plantas conseguem aproveitar diretamente a amônia. Ocorre devido às bactérias nitrificantes (bactérias qumiossintetizantes). Oxidação da amônia pela Nitrosomonas. Nitrosomonas 2NH 3 + 3O 2 Amônia 2NO 2 - + 2H 2 O + 2H + + ENERGIA Nitrito O nitrito é tóxico para as plantas, por isso é imediatamente oxidado pela Nitrobacter. 2NO 2 - + O 2 Nitrito Nitrobacter 2NO 3 - + ENERGIA Nitrato Observações: A energia liberada é utilizada pela bactéria em seu metabolismo. Composto que libera nitrato é solúvel em água, o que facilita sua assimilação pelas plantas. As proteínas e ácidos nucléicos assimilados são degradados, produzindo excreções: amônia (muito tóxica), uréia (médio) e o ácido úrico (não tóxico). 4.2.3 Desnitrificação Processo realizado por bactérias do solo (pseudômonas), denominadas bactérias desnitrificantes. Para obter energia as bactérias degradam compostos nitrogenados liberando gás nitrogênio (N 2 ), que retorna a atmosfera. C 6 H 12 O 6 + 4NO 3-6CO 2 + 6H 2 O + 2N 2 + ENERGIA Glicose
4.2.4 Interferência do Homem no Ciclo Adubação verde Objetivo: obtenção de uma maior produtividade na agricultura. Aumento da quantidade de nitrogênio no solo: Cultivo de plantas leguminosas (soja, alfafa, feijão, ervilha etc.) que abrigam em suas raízes bactérias fixadoras de nitrogênio as rizóbios (adubação verde). Fixação industrial, na fabricação de adubos químicos. 4.2.5 Curiosidade Se a fixação de nitrogênio exceder muito a desnitrificação, ocorre: O acúmulo de substância nitrogenadas na água leva a um processo de Eutrofização, provocando a proliferação de certas algas que, além de competir com os peixes por oxigênio, liberam substâncias tóxicas, envenenando a água e matando os animais aquáticos.
4.3 Ciclo do Carbono Elemento fundamental na formação dos compostos orgânicos A única fonte de carbono utilizável para os seres vivos é o CO 2, atmosférico ou dissolvido em água. Graças ao carbono que os vegetais conseguem sintetizar as substâncias orgânicas através da fotossíntese ou da quimiossíntese. O carbono é reduzido formando carboidratos e posteriormente lipídeos e proteínas. Assimilação pela fotossíntese CO 2 atmosférico Respiração Respiração Assimilação de C pelos herbívoros Morte de plantas Morte de animais Morte e excreções de animais COMBUSTÍVEIS FOSSÉIS (carvão e petróleo) Decompositores Restituição à atmosfera pela queima
4.3.1 Aproveitamento do Carbono Entra pelas folhas, através dos estômatos pela fotossíntese ENTRADA DE CO 2 VEGETAL Respiração Fermentação Comido Morte-decomposição Total CO 2 e H 2 O Parcial Combustíveis fósseis (carvão mineral, gás natural e petróleo) Nutrição do Reino vegetal ENTRADA DE CO 2 ANIMAL SAÍDA DE CO 2 Respiração Comido Morte- decomposição Total CO 2 e H 2 O Parcial Combustíveis fósseis (carvão mineral, gás natural e petróleo) Observação: A utilização de combustíveis fósseis pela espécie humana tem restituído à atmosfera, na forma de CO2, átomos de carbono que ficam fora de circulação durante milhões de anos. O aumento do teor de CO2 na atmosfera esta provocando o aumento da temperatura da terra, em decorrência do efeito estufa.
4.4 Ciclo do Oxigênio Consiste na passagem de átomos de oxigênio de compostos inorgânicos do ambiente para substâncias orgânicas dos seres vivos, e vice-versa. Fundamental no processo energético. Átomos de oxigênio: Encontrado na forma de gás oxigênio, gás carbônico e água, essas moléculas estão constantemente trocando átomos de oxigênio entre si, durante processos metabólicos da biosfera. Utilizado na respiração aeróbica de plantas e animais. Aceptor final de hidrogênio na cadeia respiratória. Ciclo complexo, pois o O 2 é utilizado e liberado pelos seres vivos na forma de diversas substâncias. O oxigênio entra na formação da camada de ozônio (O 3 ). H 2 O (vapor) O 2 atmosférico Fotossíntese CO 2 atmosférico (consome CO 2 e libera O 2 ) Respiração (consome O 2 e libera CO 2 e H 2 O) Condensação (chuva) Transpiração animal Assimilação pelos herbívoros Transpiração vegetal Utilização por animais e plantas H 2 O (liquida) Absorção ( ): indica incorporação ( ): indica liberação Morte e decomposição Decompositores Transpiração do solo