Em formação

Por que as plantas criam energia suficiente para todo o ecossistema?


Em minha aula de meio ambiente, estávamos aprendendo recentemente sobre a lei $ 10 \% $ que basicamente diz que apenas $ 10 \% $ da energia vai de um nível trófico para o próximo.

Isso me fez pensar sobre porque a energia flui de um nível para o próximo. Especificamente, por que as plantas criam energia suficiente para todo o ecossistema? Eles não ficariam bem sem nós, e isso não os pouparia do trabalho de criar todo esse excesso de energia?


As plantas coletam energia para si mesmas por meio da fotossíntese, não para os outros. É usado para o seu próprio crescimento e sobrevivência.

Sua energia é então redistribuída para outros organismos quando a planta morre e se decompõe ou quando é consumida. Muitos organismos não podem coletar sua energia como as plantas e, portanto, devem se alimentar de organismos (como as plantas) que são capazes de coletar e armazenar energia. Em muitos casos, isso é prejudicial para a planta (deve ser intuitivo porque ser comido pode ser ruim), e muitas, muitas plantas têm características que desencorajam outros organismos de comê-las (plantas com toxinas, espinhos, etc.).


Vejamos um "ecossistema" muito simples, vacas e grama. Imagine que haja 1.000 quilos de grama disponíveis. Isso pode suportar cerca de 100 kg de vaca. Este é o seu valor de 10%, mas massa aqui em vez de energia.

Quando a vaca come a grama, ela deve quebrar a comida para obter matéria e energia. Cada vez que a energia é transferida, parte dela é "perdida" na forma de calor. Assim, à medida que a energia nas ligações das moléculas da grama é transferida em energia nas ligações das moléculas que constituem a vaca, grande parte dessa energia é desperdiçada, irradiada para longe da vaca na forma de calor. A vaca também tem muitas tarefas a cumprir que também usam a energia da grama. Ela tem que andar pastando, mastigar, fazer mais vacas, etc. No momento em que tudo isso é contabilizado, a vaca já usou 90% da energia da comida para suprir suas próprias necessidades de energia, bem como os resíduos.

No processo de quebrar a grama para obter energia, a vaca transformou o alimento, do qual extraiu a energia, em dióxido de carbono e água. O dióxido de carbono foi expelido para a atmosfera. Apenas 10% da matéria na comida resta para adicionar massa à vaca. É por isso que a vaca engorda apenas 1 kg de peso para cada 10 kg de grama.

Então aquela vaca, tendo retido apenas 10% da matéria que estava na comida, só tem 10% da energia já que a energia é armazenada nas ligações químicas da matéria.

A regra dos 10% é uma aproximação. Vários dos meus alunos estavam na FFA (Future Farmers of America) e criavam animais. Uma das tarefas que eles deveriam fazer é controlar o peso da ração e compará-lo com o ganho de peso do animal. Muitos com quem conversei se saíram melhor do que os 10%, mas muito disso se deveu provavelmente à alta qualidade da alimentação que usaram.


Por que as plantas criam energia suficiente para todo o ecossistema? - Biologia

O Fluxo de Energia: Produção Primária para Níveis Tróficos Mais Elevados

"Toda carne é grama."
- Isaías

São necessárias 300 trutas para sustentar um homem por um ano. A truta, por sua vez, deve consumir 90 mil sapos, que devem consumir 27 milhões gafanhotos que vivem de 1.000 toneladas de grama.
- G. Tyler Miller, Jr., American Chemist (1971)

  • Quanta energia do sol está disponível e é assimilada pelas plantas, e como isso é medido?
  • Como a produção bruta, a produção líquida e a produção do ecossistema estão relacionadas?
  • Como a cultura em pé, a taxa de rotatividade e a produção primária líquida estão relacionadas?
  • Quais tipos de ecossistemas têm as taxas de produção mais altas e quais fazem as maiores contribuições para a produção primária mundial?
  • Que fatores limitam a quantidade de produção primária local e mundial?
  • Qual é a eficiência com a qual a energia é convertida do nível trófico para o nível trófico?
  • Quais são as diferenças entre eficiência de assimilação, eficiência de produção líquida e eficiência ecológica?
  • Como os ecossistemas diferem na quantidade de biomassa ou número de organismos presentes em qualquer ponto do tempo e gerados ao longo do tempo, em cada nível trófico?
  • Quanta energia está disponível para os humanos, quanta usamos e essa quantidade é sustentável?

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Introdução - Fluxos de energia em teias alimentares

Tanto a energia quanto os materiais são essenciais para a estrutura, função e composição do ecossistema. Você já foi exposto aos conceitos básicos dos ciclos de nutrientes nesta palestra que enfocamos na energia. Observe que, em termos da ciclagem do carbono, "materiais" e energia podem ser convertidos entre si. Por exemplo, sabemos quantas calorias (uma medida de energia) um grama de certos compostos de carbono, como gorduras ou carboidratos, contém.

Autótrofos versos heterótrofos

Como uma breve revisão, reconhecemos que alguns organismos são capazes de sintetizar moléculas orgânicas a partir de precursores inorgânicos e de armazenar energia bioquímica no processo. Estes são chamados autótrofos, que significa "alimentação própria". Autótrofos também são referidos como produtores primários. Organismos capazes de fabricar moléculas orgânicas complexas a partir de compostos inorgânicos simples (água, CO2, nutrientes) incluem plantas, alguns protistas e algumas bactérias. O processo pelo qual eles fazem isso geralmente é fotossíntese, e como o próprio nome indica, a fotossíntese requer luz (veja a Figura 1).

Para completar, devemos mencionar o caminho conhecido como quimiossíntese. Alguns organismos produtores, principalmente bactérias especializadas, podem converter nutrientes inorgânicos em compostos orgânicos sem a presença de luz solar. Existem vários grupos de bactérias quimiossintéticas em ambientes marinhos e de água doce, particularmente aqueles ricos em enxofre ou gás sulfureto de hidrogênio. Como as plantas com clorofila e outros organismos capazes de fotossíntese, os organismos quimiossintéticos são autótrofos (ver notas de aula sobre micróbios para obter mais informações). Muitos organismos só podem obter sua energia se alimentando de outros organismos. Estes são chamados heterotróficos. Eles incluem consumidores de qualquer organismo, em qualquer forma: plantas, animais, micróbios e até mesmo tecido morto. Heterotróficos também são chamados consumidores.

Nesta palestra, começaremos com uma consideração sobre a produção primária e, na próxima, examinaremos o que acontece com essa energia quando ela é transportada ao longo de uma cadeia alimentar.

O Processo de Produção Primária

Quer se mede a taxa em que ocorre a fotossíntese, ou a taxa em que a planta individual aumenta em massa, estamos preocupados com produção primária (definição: a síntese e armazenamento de moléculas orgânicas durante o crescimento e reprodução de organismos fotossintéticos). A ideia central é que novos compostos químicos e novos tecidos vegetais sejam produzidos. Com o tempo, a produção primária resulta na adição de nova biomassa vegetal ao sistema. Os consumidores obtêm sua energia de produtores primários, seja diretamente (herbívoros, alguns detritívoros) ou indiretamente (predadores, outros detritívoros).

Existe um limite superior para a produção primária? A resposta curta é & quotyes & quot. Vamos considerar brevemente quanta energia é de fato capturada por autótrofos e examinar quão eficiente é o processo de fotossíntese. Lembre-se de que a intensidade da radiação solar que atinge a superfície da Terra depende parcialmente da localização: a intensidade máxima de energia é recebida no equador e a intensidade diminui à medida que avançamos em direção aos pólos. Como vimos na palestra sobre ecossistemas, essas diferenças têm efeitos profundos no clima e levam aos padrões geográficos dos biomas observados.

Além disso, sabemos que apenas uma pequena fração da radiação do sol é realmente usada na reação fotossintética em plantas na superfície da Terra. Da radiação solar total que atinge a atmosfera externa da Terra, cerca de metade dela é refletida de volta para o espaço pelo gelo, neve, oceanos ou desertos, ou absorvida por gases na atmosfera - por exemplo, a camada de ozônio da atmosfera absorve quase todos os raios ultravioleta luz, que constitui cerca de 9% da radiação solar.

No geral, da luz que atinge a superfície da Terra, apenas cerca de metade dela está na faixa de comprimento de onda que pode ser usada pelas plantas na fotossíntese (

Comprimento de onda de 400-700 nm) - isso é chamado de radiação fotossinteticamente ativa ou PAR. As plantas absorvem fortemente a luz dos comprimentos de onda azul e vermelho (daí sua cor verde, o resultado da reflexão dos comprimentos de onda verdes), bem como a luz na região do infravermelho distante e refletem a luz na região do infravermelho próximo. Mesmo se o comprimento de onda estiver correto, a energia da luz não é totalmente convertida em carbono pela fotossíntese. Parte da luz perde o cloroplasto da folha, onde ocorrem as reações fotossintéticas, e grande parte da energia da luz que é convertida pela fotossíntese em compostos de carbono é usada para manter a "máquina" bioquímica da planta operando adequadamente - essa perda é geralmente chamada de "respiração", embora também inclui perdas termodinâmicas. As plantas, então, não usam toda a energia luminosa teoricamente disponível para elas (veja a Figura 2).


Figura 2: Redução da energia disponível para as plantas

Em média, a produção primária bruta da planta na terra é de cerca de 5,83 x 10 6 cal m -2 ano -1. Isso é cerca de 0,06% da quantidade de energia solar caindo por metro quadrado na borda externa da atmosfera da Terra por ano (definido como o constante solar e igual a 1,05 x 10 10 cal m -2 ano -1). Após os custos de respiração, a produção primária líquida da planta é reduzida para 4,95 x 10 6 cal m -2 ano - 1, ou cerca de 0,05% da constante solar. Observe que esta é a eficiência "média", e em plantas terrestres este valor pode atingir

2-3% e em sistemas aquáticos este valor pode atingir

1%. Esta eficiência relativamente baixa de conversão de energia solar em energia em compostos de carbono define a quantidade total de energia disponível para heterótrofos em todos os outros níveis tróficos.

Algumas Definições

Até agora não fomos muito precisos sobre nossas definições de "produção" e precisamos deixar os termos associados à produção muito claros.

* Produção primária bruta, GPP, é a quantidade total de CO2 que é fixado pela planta na fotossíntese.

* Respiração, R, é a quantidade de CO2 que é perdido de um organismo ou sistema devido à atividade metabólica. A respiração pode ser dividida em componentes que refletem a fonte do CO2.

Rp = Respiração por Plantas

Rh = Respiração por Heterotróficos

Rd = Respiração por decompositores (os micróbios)

* Produção primária líquida, NPP, é o valor líquido da produção primária após a inclusão dos custos de respiração da planta. Portanto, NPP = GPP - R

* Produção Líquida do Ecossistema, NEP, é a quantidade líquida da produção primária após os custos de respiração das plantas, hetertrofos e decompositores estarem todos incluídos. Portanto, NEP = GPP - (Rp + Rh + Rd)

Uma medida da Produção Líquida do Ecossistema é de grande interesse na determinação do CO2 equilíbrio entre vários ecossistemas, ou toda a Terra, e a atmosfera. Isso será discutido mais em nossas palestras sobre mudanças climáticas e o ciclo global do carbono.

Observação que nessas definições estamos preocupados apenas com a produção "primária" e não "secundária". A produção secundária é o ganho em biomassa ou reprodução de heterótrofos e decompositores. As taxas de produção secundária, como veremos em uma palestra a seguir, são muito mais baixas do que as taxas de produção primária.

Um exemplo diário de como GPP, NPP e R estão relacionados. Para entender melhor a relação entre a respiração (R) e a produção primária bruta e líquida (GPP e NPP), considere o exemplo a seguir. Digamos que você tenha um emprego de meio período e ganhe US $ 100 por semana que vão diretamente para sua conta bancária. Esta é a sua "produção bruta" de dinheiro e é análoga à produção bruta de carbono fixado em açúcares durante a fotossíntese. Agora, digamos que você gaste $ 50 por semana de sua conta bancária em comida, o que em parte é necessário para você se manter vivo e com boa saúde e poder continuar trabalhando em meio período. Esse é o & quotcusto & quot que você paga para continuar operando, e é análogo ao custo de respiração que uma planta tem quando suas células usam parte da energia fixada na fotossíntese para construir novas enzimas ou clorofila para capturar luz ou para se livrar de produtos residuais em a célula. Assim, em sua conta bancária, sua produção bruta é de $ 100 / semana, seu custo de vida (respiração) é de $ 50 por semana e a quantia & quotnet & quot de dinheiro que você produz a cada semana (sua produção líquida) é de $ 100 - $ 50 = $ 50. Você pode ver que o saldo da sua conta bancária é determinado da seguinte forma: Sua produção líquida é igual à sua produção bruta menos a respiração, que é a mesma que a equação acima que indica a produção primária líquida (NPP) = a produção primária bruta (GPP) menos Respiração (R).

Medindo a produção primária

(uma) Taxa de fotossíntese :

Você conhece a equação da fotossíntese de uma aula anterior:

Se pudéssemos colocar nossas plantas em um sistema fechado e medir a redução de CO2 por unidade de tempo, ou a geração de O2, teríamos uma medida direta da produção primária.

O método usado em estudos de produção primária aquática ilustra bem esse método. Nas águas superficiais de lagos e oceanos, as plantas são principalmente algas unicelulares, e a maioria dos consumidores são crustáceos e protozoários microscópicos. Tanto os produtores quanto os consumidores são muito pequenos e podem ser facilmente contidos em um litro de água. Se você colocar esses organismos em uma garrafa e acender as luzes, terá fotossíntese. Se você desligar as luzes, desligará a produção primária.

No entanto, a escuridão não afeta a respiração. Lembre-se daquele celular respiração é o processo reverso da fotossíntese, como segue.

A fotossíntese armazena energia e a respiração a libera para uso em funções como reprodução e manutenção básica. Ao calcular a quantidade de energia que uma planta armazena como biomassa, que fica então disponível para os heterótrofos, devemos subtrair os custos de respiração da planta da produção primária total.

O procedimento geral é tão simples que a produção primária dos oceanos do mundo foi mapeada em detalhes consideráveis, e muitos dos lagos de água doce do mundo também foram investigados (Figura 3). Pega-se uma série de pequenas garrafas de vidro com rolhas, e metade delas são embrulhadas com algum material, como papel alumínio, para que a luz não penetre. Estes são chamados de garrafas "claras" e "escuras", respectivamente.

Figura 3. "Limnologistas" (pessoas que estudam lagos e riachos) trabalhando
no Lago Vitória na África Oriental (à esquerda) e no Lago Michigan (à direita).

As garrafas são preenchidas com água retirada de um determinado local e em profundidade essa água contém as minúsculas plantas e animais do ecossistema aquático. As garrafas são fechadas com rolhas para evitar qualquer troca de gases ou organismos com a água ao seu redor, e então são suspensas por algumas horas na mesma profundidade de onde a água foi originalmente retirada. Dentro das garrafas CO2 está sendo consumido, e O2 está sendo produzido e podemos medir a mudança ao longo do tempo em qualquer um desses gases.

Por exemplo, a quantidade de oxigênio dissolvido na água pode ser medida facilmente por titulação química. Antes de suspender as garrafas, o O inicial2 a concentração é determinada e expressa como mg de O2 por litro de água (mg / L). Em seguida, o valor final é medido nas garrafas claras e escuras após um período de incubação cronometrado. Quais processos estão ocorrendo em cada garrafa que pode alterar o O original2 ou CO2 concentrações? As equações abaixo os descrevem.

Garrafa leve: Na garrafa leve há fotossíntese, ou Produção Primária Bruta (GPP), e há Respiração (R). A diferença entre esses dois processos, como vimos acima, é Produção Primária Líquida = NPP = (GPP - R)

Garrafa escura:Na garrafa escura não há fotossíntese, apenas respiração. (Neste exemplo, também podemos ter alguma respiração do consumidor em ambas as garrafas, a menos que tenhamos usado uma rede para peneirar minúsculos heterótrofos.)

Agora considere o seguinte exemplo simples. Ele ilustra como contabilizamos as mudanças nas concentrações iniciais de oxigênio na água que ocorreram durante a incubação. Assumiremos que nosso período de incubação foi de 1 hora. Concentrações de oxigênio medidas:

Garrafa inicial = 8 mg O2 /EU Garrafa leve = 10 mg O2 /EU Garrafa escura= 5 mg O2 /EU

O oxigênio aumentou na garrafa clara em comparação com a inicial devido à fotossíntese, e o oxigênio diminuiu na garrafa escura devido à respiração. Com essas informações, podemos calcular o Respiração, NPP, e GPP para nosso sistema:

(Leve - Inicial) = (10 - 8) = 2 mg / L / hr = (GPP - R) = NPP

(Inicial - Escuro) = (8 - 5) = 3 mg / L / hr = Respiração

(Claro - Escuro) = (10 - 5) = 5 mg / L / hr = (NPP + R) = GPP

Assim, temos uma medida da produção primária líquida e bruta, bem como da respiração de nosso sistema. A técnica de oxigênio é limitada em situações onde a produção primária é muito baixa. Nessas situações, a forma radioativa do carbono, C 14 (14 CO2), pode ser usado para monitorar a absorção e fixação de carbono. Você também pode converter os resultados entre os métodos de oxigênio e carbono multiplicando os valores de oxigênio por 0,375 para colocá-los em equivalentes de carbono (o fator vem das diferenças na massa atômica).

(b) Taxa de acumulação de biomassa:

O que você faz com plantas muito grandes para colocar em garrafas? Considere o seguinte exemplo. Suponha que desejamos saber a produção primária de uma safra de milho. Plantamos algumas sementes e, ao final de um ano, colhemos amostras de plantas inteiras, incluindo as raízes que estavam contidas em um metro quadrado de área. Nós os secamos para remover qualquer variação no teor de água e depois os pesamos para obter o "peso seco". Portanto, nossa medida de produção primária seria gramas m -2 ano -1 de caules, folhas, raízes, flores e frutos, menos a massa das sementes que possam ter sido perdidas. O que medimos?

Não é GPP, porque parte da energia produzida pela fotossíntese foi para atender às necessidades metabólicas das próprias plantas de milho. É NPP? Bem, se excluíssemos todos os consumidores, como insetos da planta do milho, teríamos uma medida de NPP. Mas presumimos que alguns insetos e artrópodes do solo tiveram uma parcela da biomassa vegetal e, como não medimos essa parcela, na verdade medimos algo menos do que NPP. Observe que esta é exatamente a mesma situação no método da garrafa que descrevemos acima se pequenos heterótrofos que pastavam em algas fossem incluídos na garrafa, caso em que os dois métodos mediam a mesma coisa.

Nos últimos anos, também se tornou possível estimar o GPP e R em grandes plantas ou florestas inteiras usando traçadores e técnicas de troca gasosa. Essas medições agora formam a base de nossas investigações sobre como a produção primária afeta o conteúdo de dióxido de carbono de nossa atmosfera.

Produção, safra em pé e giro

Colheita em pé, por outro lado, é uma medida da biomassa do sistema em um único ponto no tempo e é medida em calorias ou gramas por m 2. A diferença entre a produção e a cultura em pé é crucial e pode ser ilustrada pela seguinte pergunta. Um silvicultor, interessado em colher o maior rendimento de uma parcela, deveria estar mais interessado na cultura da floresta em pé ou em sua produção primária? Bem, o elemento chave para a resposta é "TEMPO". Se o engenheiro florestal deseja um investimento de curto prazo (ou seja, cortar a floresta e vender as árvores para obter o lucro máximo imediato), quanto maior for a cultura em pé, melhor. Se, em vez disso, o silvicultor quiser gerenciar a floresta ao longo do tempo (vender algumas árvores e crescer mais a cada ano), então a taxa na qual a floresta produz nova biomassa é crítica.

A proporção da safra em pé para a produção (safra em pé / produção) é igual ao Rotatividade do sistema. Ao dividir a cultura em pé (unidades de g / m 2) pela produção (unidades de g / m 2 / ano), você pode ver que o faturamento é em unidades de 1 / (1 / ano) = ano neste exemplo. Assim, o estoque ou safra em pé de qualquer material dividido pela taxa de produção dá a você uma medida de tempo. Observe como esse tempo de rotação é semelhante (realmente, idêntico) ao tempo de residência que você aprendeu nas aulas anteriores. É realmente importante considerar esse elemento de "tempo" sempre que você estiver pensando sobre quase qualquer aspecto de um organismo ou ecossistema ou um problema de sustentabilidade. Aprender sobre o quanto de algo está acontecendo e com que rapidez está mudando é um aspecto crítico para compreender o sistema bem o suficiente para tomar decisões. Por exemplo, a decisão do engenheiro florestal acima pode ser motivada por preocupações econômicas ou de conservação, mas o " A melhor "escolha para qualquer uma dessas questões ainda depende de uma compreensão da produção, safra em pé e rotação da floresta. Isso destaca o ponto levantado em palestras anteriores de que, para tomar decisões sobre sustentabilidade, você deve compreender esses conceitos científicos básicos.

Padrões e controles da produção primária nos ecossistemas mundiais

Figura 4. Produção primária líquida por unidade de área dos ecossistemas comuns do mundo.

Se quisermos saber a quantidade total de NPP no mundo, devemos multiplicar esses valores pela área que os vários ecossistemas ocupam. Ao fazer isso, descobrimos que agora os sistemas mais produtivos são oceanos abertos, florestas tropicais, savanas e florestas tropicais sazonais (veja a Figura 5).

Figura 5. Produção primária líquida média mundial de vários ecossistemas.

O que explica essas diferenças na produção por unidade de área? Basicamente, a resposta é que o clima e os nutrientes controlam a produtividade primária. Áreas que são quentes e úmidas geralmente são mais produtivas (ver Figuras 6a e 6b). No geral, a quantidade de água disponível limita a produção primária de terras em nosso mundo, em parte devido às grandes áreas desérticas encontradas em certos continentes. As safras agrícolas são especialmente produtivas devido aos subsídios "artificiais" de água e fertilizantes, bem como ao controle de pragas.

Figuras 6a e 6b. Gráficos mostrando a relação
entre NPP e precipitação, e entre NPP e temperatura.

Mesmo que a temperatura e especialmente a precipitação estejam relacionadas à produção, você notará um grande grau de "dispersão" em torno da linha de melhor ajuste desenhada nos gráficos acima. Por exemplo, observe a faixa de valores de produção (eixo Y) em um valor de temperatura de 10 graus C ou em um valor de precipitação de 1000 mm. A dispersão ou variação na produção devido em parte a outros aspectos de sistemas particulares (locais), como sua disponibilidade de nutrientes ou suas taxas de rotatividade. Por exemplo, pastagens podem ter uma taxa relativamente alta de produção primária ocorrendo durante uma breve estação de cultivo, mas a biomassa da cultura em pé nunca é muito grande. Isso é indicativo de uma alta taxa de rotatividade. Em uma floresta, por outro lado, a biomassa da cultura em pé de madeira acima do solo e raízes subterrâneas é grande. A produção de matéria vegetal nova a cada ano é uma pequena fração da safra total em pé e, portanto, a rotação da biomassa florestal é muito menor.

Outro bom exemplo é visto nos oceanos, onde a maior parte da produção primária está concentrada em algas microscópicas. As algas têm ciclos de vida curtos, multiplicam-se rapidamente, não geram muita biomassa em relação ao seu número e são consumidas rapidamente pelos herbívoros. Em qualquer ponto do tempo, então, a safra de algas em pé em um oceano é provavelmente baixa, mas a taxa de rotatividade pode ser alta (veja abaixo). Agora examinamos a primeira etapa no fluxo de energia através dos ecossistemas: a conversão de energia por produtores primários em uma forma que seja utilizável por heterótrofos, bem como pelos próprios produtores. Na próxima aula, examinaremos como essa energia se move pelo resto do ecossistema, fornecendo combustível para a vida em níveis tróficos mais elevados.

O fluxo de energia para níveis tróficos mais elevados

A maioria de vocês agora está familiarizada com o conceito de nível trófico (veja a Figura 1). É simplesmente um nível de alimentação, geralmente representado em uma cadeia alimentar ou rede alimentar. Os produtores primários compreendem o nível trófico inferior, seguido pelos consumidores primários (herbívoros), depois pelos consumidores secundários (carnívoros que se alimentam de herbívoros) e assim por diante. Quando falamos em "subir" na cadeia alimentar, estamos falando figurativamente e queremos dizer que passamos das plantas aos herbívoros e aos carnívoros. Isso não leva em consideração os decompositores e detritívoros (organismos que se alimentam de matéria orgânica morta), que constituem suas próprias vias tróficas altamente importantes.

No processo, o trabalho metabólico é realizado e a energia das ligações químicas é convertida em energia térmica. Se NPP não fosse consumido, iria se acumular em algum lugar. Normalmente isso não acontece, mas durante períodos da história da Terra, como o Carbonífero e a Pensilvânia, enormes quantidades de NPP em excesso da degradação da matéria orgânica acumulada nos pântanos. Foi enterrado e comprimido para formar os depósitos de carvão e petróleo que mineramos hoje. Quando queimamos esses depósitos (mesma reação química acima, exceto que há maior produção de energia), liberamos a energia para acionar as máquinas da indústria e, claro, o CO2 vai para a atmosfera como um gás de efeito estufa. Essa é a situação que temos hoje, onde o excesso de CO2 da queima desses depósitos (após o excesso de NPP) está indo para a atmosfera e se acumulando com o tempo, mudando dramaticamente nosso clima.

  • Apenas uma fração da energia disponível em um nível trófico é transferida para o próximo nível trófico. A regra prática é 10%, mas isso é muito aproximado.
  • Normalmente, o número e a biomassa dos organismos diminuem à medida que se sobe na cadeia alimentar.

Um exemplo: a raposa e a lebre

A lebre usa uma fração significativa da energia assimilada apenas por ser uma lebre - mantendo uma temperatura corporal alta e constante, sintetizando proteínas e saltitando. Essa energia usada (perdida) é atribuída à respiração celular. O restante vai para a produção de mais biomassa de lebres por crescimento e reprodução (ou seja, aumentando a biomassa total de lebres por meio da criação de descendentes). A conversão da energia assimilada em novo tecido é denominada produção secundária nos consumidores, e é conceitualmente igual à produção primária ou NPP de plantas. Em nosso exemplo, a produção secundária da lebre é a energia disponível para as raposas que comem as lebres para suas necessidades. Claramente, por causa de todos os custos de energia das lebres envolvidas em atividades metabólicas normais, a energia disponível para as raposas é muito menor do que a energia disponível para as lebres.

Assim como calculamos a eficiência de assimilação acima, também podemos calcular o eficiência de produção líquida para qualquer organismo. Essa eficiência é igual à produção dividida pela assimilação para os animais, ou o NPP dividido pelo GPP para as plantas. A "produção" aqui se refere ao crescimento mais reprodução. Na forma de equação, temos eficiência de produção líquida = (produção / assimilação), ou para plantas = (NPP / GPP). Essas proporções medem a eficiência com a qual um organismo converte a energia assimilada em produção primária ou secundária.

Essas eficiências variam entre os organismos, em grande parte devido aos requisitos metabólicos amplamente diferentes. Por exemplo, em média vertebrados de sangue quente, como mamíferos e pássaros, usam cerca de 98% da energia assimilada para o metabolismo, deixando apenas 2% para o crescimento e a reprodução. Em média, os invertebrados usam apenas

80% da energia assimilada para o metabolismo e, portanto, exibem maior eficiência de produção líquida (

20%) do que os vertebrados. As plantas têm as maiores eficiências de produção líquida, que variam de 30 a 85%. A razão de alguns organismos terem eficiências de produção tão baixas é que eles são homeotérmicos, ou animais que mantêm uma temperatura corporal interna constante (mamíferos e pássaros). Isso requer muito mais energia do que é usado por poiquilotérmicos, que também são conhecidos como organismos de "sangue frio" (todos invertebrados, alguns vertebrados e todas as plantas, embora as plantas não tenham "sangue") que não regulam suas temperaturas internamente.

Assim como podemos construir nossa compreensão de um sistema desde o indivíduo até a população e a comunidade, agora podemos examinar níveis tróficos inteiros calculando as eficiências ecológicas. Eficiência Ecológica é definido como o suprimento de energia disponível para o nível trófico N + 1, dividido pela energia consumida pelo nível trófico N. Você pode pensar nisso como a eficiência das lebres na conversão de plantas em alimento para raposas. Em forma de equação para nosso exemplo, o eficiência ecológica = (produção de raposas / produção de lebre). Observe que a eficiência ecológica é uma medida "combinada" que leva em consideração as eficiências de assimilação e de produção líquida. Você também pode combinar diferentes espécies de plantas e animais em um único nível trófico e, em seguida, examinar a eficiência ecológica de, por exemplo, todas as plantas em um campo sendo alimentadas com todos os diferentes pastores, de insetos a vacas.

Pensar na eficiência ecológica geral de um sistema nos leva de volta à nossa primeira regra para a transferência de energia através dos níveis tróficos e para cima na cadeia alimentar. Em geral, apenas cerca de 10% da energia consumida por um nível está disponível para o próximo. Por exemplo, se as lebres consumirem 1000 kcal de energia da planta, elas podem ser capazes de formar apenas 100 kcal de novo tecido de lebre. Para que a população de lebres esteja em estado estacionário (sem aumentar nem diminuir), o consumo anual de lebres pelas raposas deve ser aproximadamente igual à produção anual de nova biomassa de lebres. Assim, as raposas consomem cerca de 100 kcal de biomassa de lebre e convertem talvez 10 kcal em nova biomassa de raposa. Na verdade, essa eficiência ecológica é bastante variável, com homeotermos em média de 1 a 5% e poiquilotérmicos em média de 5 a 15%. A perda geral de energia de níveis tróficos inferiores para superiores é importante para definir o número absoluto de níveis tróficos que qualquer ecossistema pode conter.

A partir desse entendimento, deve ser óbvio que a massa das raposas deve ser menor que a massa das lebres e a massa das lebres menor que a massa das plantas. Geralmente isso é verdade, e podemos representar esse conceito visualmente construindo uma pirâmide de biomassa para qualquer ecossistema (veja a Figura 3).

Figura 3. Uma pirâmide de biomassa mostrando produtores e consumidores em um ecossistema marinho.

Pirâmides de biomassa, energia e números

Também poderíamos construir um pirâmide de números, que como o próprio nome indica representa o número de organismos em cada nível trófico (veja a Figura 4 no topo). Para a pastagem mostrada na Figura 4-top, o nível inferior seria bastante grande, devido ao enorme número de plantas pequenas (gramíneas). Para outros ecossistemas, como a floresta temperada, a pirâmide dos números pode ser invertida: por exemplo, se a comunidade de plantas de uma floresta fosse composta de apenas um punhado de árvores muito grandes, e ainda houvesse muitos milhões de insetos pastando que comeram o material vegetal .

Assim como com a pirâmide invertida de números, em algumas raras exceções, poderia haver uma pirâmide invertida de biomassa, onde a biomassa do nível trófico inferior é menor do que a biomassa do nível trófico imediatamente superior. Os oceanos são uma exceção porque, em qualquer ponto do tempo, a quantidade total de biomassa em algas microscópicas é pequena. Assim, uma pirâmide de biomassa para os oceanos pode aparecer invertida (consulte a Figura 4b-meio). Agora você deve perguntar "como pode ser isso?" Se a quantidade de energia na biomassa em um nível define o limite de energia na biomassa no próximo nível, como foi o caso com as lebres e as raposas, como você pode ter menos energia no nível trófico inferior? Esta é uma boa pergunta e pode ser respondida considerando, como discutimos acima, todos os aspectos importantes do "tempo". Mesmo que a biomassa possa ser pequena, a TAXA com a qual a nova biomassa é produzida pode ser muito grande. Assim, ao longo do tempo, é a quantidade de nova biomassa produzida, de qualquer que seja o estoque permanente de biomassa, que é importante para o próximo nível trófico.

Podemos examinar isso mais detalhadamente, construindo um pirâmide de energia, que mostra taxas de produção em vez de cultura em pé. Uma vez feito isso, a figura do oceano teria a forma característica de pirâmide (veja a Figura 4 abaixo). As populações de algas podem dobrar em poucos dias, enquanto o zooplâncton que se alimenta delas se reproduz mais lentamente e pode dobrar de número em alguns meses, e os peixes que se alimentam de zooplâncton podem se reproduzir apenas uma vez por ano. Assim, uma pirâmide de energia leva em consideração a taxa de renovação dos organismos, e nunca pode ser invertido. Observe que esta dependência de um nível trófico em um nível trófico inferior para energia é o motivo pelo qual, como você aprendeu nas palestras sobre predação, os números da população de presas e predadores estão ligados e por que eles variam juntos ao longo do tempo (com um deslocamento).

Figura 4: Pirâmides de números, biomassa e energia para vários ecossistemas.

O Tempo de Residência da Energia. Vemos que pensar sobre as pirâmides de energia e o tempo de rotação é semelhante às nossas discussões sobre o tempo de residência dos elementos. Mas aqui estamos falando sobre o tempo de residência da "energia". O tempo de residência da energia é igual à energia na biomassa dividida pela produtividade líquida, Rt = (energia em biomassa / produtividade líquida). Se calcularmos o tempo de residência de energia nos produtores primários de vários ecossistemas, descobrimos que os tempos de residência variam de cerca de 20-25 anos para florestas (florestas tropicais e florestas boreais), até

3-5 anos para pastagens e, finalmente, redução para apenas 10-15 dias para lagos e oceanos. Esta diferença no tempo de residência entre os ecossistemas aquáticos e terrestres é refletida nas pirâmides de biomassa, como discutido acima, e também é muito importante considerar na análise de como esses diferentes ecossistemas responderiam a uma perturbação, ou qual esquema poderia ser melhor usado para gerenciar os recursos do ecossistema, ou a melhor forma de restaurar um ecossistema que foi degradado (por exemplo, por tempestades ou por humanos).

Humanos e Consumo de Energia

Entradas: NPP, calculada como colheita anual. Em uma plantação, a NPP e a colheita anual ocorrem no mesmo ano. Nas florestas, a colheita anual pode exceder o NPP anual (por exemplo, quando uma floresta é cortada, a colheita leva muitos anos de crescimento), mas ainda podemos calcular as médias anuais. Observe que as estimativas a seguir estão sendo revisadas sucessivamente na literatura, mas a abordagem do problema é sempre a mesma.


Ecologia dos Ecossistemas

A vida em um ecossistema geralmente envolve competição por recursos limitados, uma característica da teoria da seleção natural. A competição em comunidades (todos os seres vivos dentro de habitats específicos) é observada tanto dentro de espécies quanto entre espécies diferentes. Os recursos pelos quais os organismos competem incluem material orgânico de organismos vivos ou anteriormente vivos, luz solar e nutrientes minerais, que fornecem a energia para os processos vivos e a matéria para formar as estruturas físicas dos organismos. Outros fatores críticos que influenciam a dinâmica da comunidade são os componentes de seu ambiente físico e geográfico: a latitude de um habitat, quantidade de chuva, topografia (altitude) e espécies disponíveis. Todas essas são variáveis ​​ambientais importantes que determinam quais organismos podem existir em uma determinada área.

Um ecossistema é uma comunidade de organismos vivos e suas interações com seu ambiente abiótico (não vivo). Os ecossistemas podem ser pequenos, como as poças de maré encontradas perto das costas rochosas de muitos oceanos, ou grandes, como a Floresta Amazônica no Brasil (Figura 1).

Figura 1. Um (a) ecossistema de poças de maré na Ilha Matinicus no Maine é um pequeno ecossistema, enquanto a (b) Floresta Amazônica no Brasil é um grande ecossistema. (crédito a: modificação da obra de “takomabibelot” / crédito do Flickr b: modificação da obra de Ivan Mlinaric)

Os ecossistemas são complexos com muitas partes interagindo. Eles são rotineiramente expostos a vários distúrbios ou mudanças no ambiente que afetam suas composições: variações anuais nas chuvas e na temperatura e os processos mais lentos de crescimento das plantas, que podem levar vários anos. Muitos desses distúrbios são resultado de processos naturais. Por exemplo, quando um raio causa um incêndio florestal e destrói parte de um ecossistema florestal, o solo é eventualmente povoado por gramíneas, depois por arbustos e arbustos e, posteriormente, por árvores maduras, restaurando a floresta ao seu estado anterior. O impacto dos distúrbios ambientais causados ​​pelas atividades humanas é tão importante quanto as mudanças provocadas pelos processos naturais. Práticas agrícolas humanas, poluição do ar, chuva ácida, desmatamento global, pesca excessiva, eutrofização, derramamento de óleo e despejo ilegal na terra e no oceano são questões de preocupação para os conservacionistas.

Equilíbrio é o estado estacionário de um ecossistema onde todos os organismos estão em equilíbrio com seu meio ambiente e uns com os outros. Na ecologia, dois parâmetros são usados ​​para medir as mudanças nos ecossistemas: resistência e resiliência. A capacidade de um ecossistema de permanecer em equilíbrio, apesar das perturbações, é chamada resistência. A velocidade com que um ecossistema recupera o equilíbrio após ser perturbado, chamada de resiliência. A resistência e resiliência do ecossistema são especialmente importantes quando se considera o impacto humano. A natureza de um ecossistema pode mudar a tal ponto que pode perder totalmente sua resiliência. Este processo pode levar à destruição completa ou alteração irreversível do ecossistema.

Stickleback de três espinhas

Está bem estabelecido pela teoria da seleção natural que as mudanças no meio ambiente desempenham um papel importante na evolução das espécies dentro de um ecossistema. No entanto, pouco se sabe sobre como a evolução das espécies dentro de um ecossistema pode alterar o ambiente do ecossistema. Em 2009, o Dr. Luke Harmon, da Universidade de Idaho em Moscou, publicou um artigo que pela primeira vez mostrou que a evolução de organismos em subespécies pode ter efeitos diretos em seu ambiente de ecossistema.

Figura 2. O esgana-gata de três espinhos evoluiu de um peixe de água salgada para um peixe de água doce. (crédito: Barrett Paul, USFWS)

O stickleback de três espinhos (Gasterosteus aculeatus) é um peixe de água doce que evoluiu de um peixe de água salgada para viver em lagos de água doce há cerca de 10.000 anos, o que é considerado um desenvolvimento recente no tempo evolutivo. Nos últimos 10.000 anos, esses peixes de água doce ficaram isolados uns dos outros em diferentes lagos. Dependendo de qual população de lago foi estudada, os resultados mostraram que esses sticklebacks permaneceram como uma espécie ou evoluíram para duas espécies. A divergência de espécies foi possibilitada pelo uso de diferentes áreas do viveiro para alimentação, chamados de micro nichos.

Dr. Harmon e sua equipe criaram microcosmos de lagoas artificiais em tanques de 250 galões e adicionaram sujeira de lagoas de água doce como fonte de zooplâncton e outros invertebrados para sustentar os peixes. Em diferentes tanques experimentais, eles introduziram uma espécie de esgana-gata de um lago de uma ou duas espécies.

Com o tempo, a equipe observou que alguns dos tanques floresciam com algas, enquanto outros não. Isso intrigou os cientistas, e eles decidiram medir o carbono orgânico dissolvido (DOC) da água, que consiste principalmente de grandes moléculas de matéria orgânica em decomposição que dão à água do lago sua cor ligeiramente acastanhada. Descobriu-se que a água dos tanques com peixes de duas espécies continha partículas maiores de DOC (e, portanto, água mais escura) do que a água com peixes de uma única espécie. Este aumento no DOC bloqueou a luz solar e evitou o florescimento de algas. Por outro lado, a água do tanque de uma única espécie continha partículas de DOC menores, permitindo mais penetração da luz solar para alimentar a proliferação de algas.

Essa mudança no ambiente, que se deve aos diferentes hábitos alimentares das espécies de esgana-gatas em cada tipo de lago, provavelmente tem um grande impacto na sobrevivência de outras espécies desses ecossistemas, principalmente de outros organismos fotossintéticos. Assim, o estudo mostra que, pelo menos nesses ecossistemas, o meio ambiente e a evolução das populações têm efeitos recíprocos que podem agora ser fatorados em modelos de simulação.

Pesquisa em dinâmica de ecossistemas

O estudo das mudanças na estrutura do ecossistema causadas por mudanças no meio ambiente (distúrbios) ou por forças internas é denominado dinâmica do ecossistema. Os ecossistemas são caracterizados por meio de uma variedade de metodologias de pesquisa. Alguns ecologistas estudam ecossistemas usando sistemas experimentais controlados, enquanto alguns estudam ecossistemas inteiros em seu estado natural, e outros usam ambas as abordagens.

UMA modelo de ecossistema holístico tenta quantificar a composição, interação e dinâmica de ecossistemas inteiros, é o mais representativo do ecossistema em seu estado natural. Uma teia alimentar é um exemplo de modelo holístico de ecossistema. No entanto, esse tipo de estudo é limitado pelo tempo e custo, além do fato de não ser viável nem ético fazer experimentos em grandes ecossistemas naturais. Quantificar todas as diferentes espécies em um ecossistema e a dinâmica em seu habitat é difícil, especialmente quando se estuda grandes habitats como a Floresta Amazônica, que cobre 1,4 bilhão de acres (5,5 milhões de km 2) da superfície da Terra.

Por essas razões, os cientistas estudam os ecossistemas em condições mais controladas. Os sistemas experimentais geralmente envolvem a partição de uma parte de um ecossistema natural que pode ser usado para experimentos, denominado um mesocosmo, ou recriando um ecossistema inteiramente em um ambiente de laboratório interno ou externo, que é referido como um microcosmo. A principal limitação dessas abordagens é que a remoção de organismos individuais de seu ecossistema natural ou a alteração de um ecossistema natural por meio de particionamento pode alterar a dinâmica do ecossistema. Essas mudanças são frequentemente devidas a diferenças no número e diversidade de espécies e também a alterações ambientais causadas pela partição (mesocosmo) ou recriação (microcosmo) do habitat natural. Portanto, esses tipos de experimentos não são totalmente preditivos das mudanças que ocorreriam no ecossistema do qual foram obtidos.

Como ambas as abordagens têm suas limitações, alguns ecologistas sugerem que os resultados desses sistemas experimentais devem ser usados ​​apenas em conjunto com estudos holísticos de ecossistema para obter os dados mais representativos sobre a estrutura, função e dinâmica do ecossistema.

Os cientistas usam os dados gerados por esses estudos experimentais para desenvolver modelos de ecossistemas que demonstram a estrutura e a dinâmica dos ecossistemas. Três tipos básicos de modelagem de ecossistema são usados ​​rotineiramente em pesquisa e gestão de ecossistemas: um modelo conceitual, um modelo analítico e um modelo de simulação. UMA modelo conceitual é um modelo de ecossistema que consiste em fluxogramas para mostrar as interações de diferentes compartimentos dos componentes vivos e não vivos do ecossistema. Um modelo conceitual descreve a estrutura e dinâmica do ecossistema e mostra como os distúrbios ambientais afetam o ecossistema, no entanto, sua capacidade de prever os efeitos desses distúrbios é limitada. Modelos analíticos e de simulação, em contraste, são métodos matemáticos de descrição de ecossistemas que são de fato capazes de prever os efeitos de mudanças ambientais potenciais sem experimentação direta, embora com algumas limitações quanto à precisão. Um modelo analítico é um modelo de ecossistema que é criado usando fórmulas matemáticas simples para prever os efeitos dos distúrbios ambientais na estrutura e dinâmica do ecossistema. UMA Modelo de simulação é um modelo de ecossistema que é criado usando algoritmos de computador complexos para modelar ecossistemas holisticamente e prever os efeitos de perturbações ambientais na estrutura e dinâmica do ecossistema. Idealmente, esses modelos são precisos o suficiente para determinar quais componentes do ecossistema são particularmente sensíveis a perturbações e podem servir como um guia para os gestores do ecossistema (como ecologistas da conservação ou biólogos pesqueiros) na manutenção prática da saúde do ecossistema.

Modelos Conceituais

Modelos conceituais são úteis para descrever a estrutura e dinâmica de ecossistemas e para demonstrar as relações entre diferentes organismos em uma comunidade e seu ambiente. Os modelos conceituais são geralmente representados graficamente como fluxogramas. Os organismos e seus recursos são agrupados em compartimentos específicos com setas mostrando a relação e a transferência de energia ou nutrientes entre eles. Portanto, esses diagramas às vezes são chamados de modelos de compartimento.

Para modelar a ciclagem de nutrientes minerais, os nutrientes orgânicos e inorgânicos são subdivididos entre aqueles que estão biodisponíveis (prontos para serem incorporados em macromoléculas biológicas) e aqueles que não são. Por exemplo, em um ecossistema terrestre próximo a um depósito de carvão, o carbono estará disponível para as plantas desse ecossistema como gás dióxido de carbono em um período de curto prazo, não do próprio carvão rico em carbono. No entanto, durante um período mais longo, microorganismos capazes de digerir carvão irão incorporar seu carbono ou liberá-lo como gás natural (metano, CH4), transformando essa fonte orgânica indisponível em uma disponível. Essa conversão é bastante acelerada pela combustão de combustíveis fósseis pelo homem, que libera grandes quantidades de dióxido de carbono na atmosfera. Acredita-se que esse seja um fator importante no aumento dos níveis de dióxido de carbono na era industrial. O dióxido de carbono liberado pela queima de combustíveis fósseis é produzido mais rápido do que os organismos fotossintéticos podem usá-lo. Esse processo é intensificado pela redução das árvores fotossintéticas devido ao desmatamento mundial. A maioria dos cientistas concorda que o alto dióxido de carbono atmosférico é uma das principais causas das mudanças climáticas globais.

Modelos Analíticos e de Simulação

A principal limitação dos modelos conceituais é sua incapacidade de prever as consequências das mudanças nas espécies de ecossistemas e / ou meio ambiente. Ecossistemas são entidades dinâmicas e sujeitas a uma variedade de distúrbios abióticos e bióticos causados ​​por forças naturais e / ou atividade humana. Ecossistemas alterados de seu estado de equilíbrio inicial podem freqüentemente se recuperar de tais distúrbios e retornar a um estado de equilíbrio. Como a maioria dos ecossistemas está sujeita a perturbações periódicas e frequentemente em um estado de mudança, eles geralmente estão se aproximando ou se afastando de seu estado de equilíbrio. Existem muitos desses estados de equilíbrio entre os vários componentes de um ecossistema, o que afeta o ecossistema como um todo. Além disso, como os humanos têm a capacidade de alterar grande e rapidamente o conteúdo das espécies e o habitat de um ecossistema, a necessidade de modelos preditivos que possibilitem a compreensão de como os ecossistemas respondem a essas mudanças torna-se mais crucial.

Modelos analíticos geralmente usam componentes lineares simples de ecossistemas, como cadeias alimentares, e são conhecidos por serem matematicamente complexos, portanto, eles requerem uma quantidade significativa de conhecimento matemático e especialização. Embora os modelos analíticos tenham grande potencial, sua simplificação de ecossistemas complexos limita sua precisão. Os modelos de simulação que usam programas de computador são mais capazes de lidar com as complexidades da estrutura do ecossistema.

Um desenvolvimento recente em modelagem de simulação usa supercomputadores para criar e executar simulações baseadas em indivíduos, que levam em consideração o comportamento de organismos individuais e seus efeitos no ecossistema como um todo. Essas simulações são consideradas as mais precisas e preditivas das complexas respostas dos ecossistemas aos distúrbios.


A transferência de energia dentro de uma cadeia alimentar: por que as grandes baleias se alimentam de pequenos plânctons?

A regra de dez por cento para a transferência de energia entre os níveis de um sistema trófico é usada para estudar a dinâmica de energia dos ecossistemas há muito tempo. Mas, para entendê-lo, é necessário ter um conhecimento básico de uma cadeia alimentar (Figura 1). As cadeias alimentares descrevem a transferência de energia de sua fonte em plantas, através de herbívoros, até carnívoros e predadores de ordem superior (Sinclair et al. 2003). Esses diferentes “níveis” são conhecidos como níveis tróficos, que são adequadamente definidos como a posição dentro da cadeia alimentar ou pirâmide de energia em que um organismo pode ser encontrado. Mas quanta energia é passada por cada nível? É aqui que entra a regra dos dez por cento.

Figura 1: Um exemplo de cadeia alimentar. O primeiro nível trófico consiste em produtores primários reunindo energia do sol, que será passada para os herbívoros, em seguida, vários níveis de carnívoros (fonte: nau.edu).

As teias alimentares costumam ser muito curtas, o que confundiu muitos cientistas por um longo tempo. Você já se perguntou por que uma baleia tão grande se alimenta de organismos planctônicos tão pequenos, como o krill? A evidência da vantagem evolutiva dessa estratégia está na definição da regra dos dez por cento. Quando a energia é repassada ao longo de um ecossistema de um nível trófico para o seguinte, apenas 10% da energia que o primeiro organismo recebe será realmente repassada. A forma de estudar este fenômeno certamente apresenta dificuldades, pois é claramente impossível visualizar a transferência de energia. No entanto, o principal meio para determinar o que os organismos marinhos comem é estudar seu conteúdo estomacal, que é exatamente o que Reilly et al. 2004 sim.

Era sabido que a Comissão Baleeira Internacional (IWC) juntamente com a Comissão para a Conservação dos Recursos Vivos Marinhos da Antártica (CCAMLR) compartilhavam uma curiosidade comum na ideia da ecologia alimentar das baleias Baleen. Isso se deveu significativamente aos seus interesses nos esforços para colocar as decisões de manejo dentro de um contexto de ecossistema (Reilly et al. 2004). A maneira mais eficiente para determinar as fontes de presas era estimar o consumo de krill por várias espécies de baleias Baleen na região do Atlântico Sul durante a temporada de alimentação de verão no ano de 2000. Para obter essas estimativas com sucesso, inferências tiveram que ser feitas relativo à frequência com que as baleias realmente enchiam seus estômagos. Isso incluiu a mudança diurna na massa do conteúdo anterior ao estômago, que acabou produzindo estimativas de 3,2-3,5% do peso corporal por dia (Figura 2) (Reilly et al. 2004). Para dar continuidade aos testes de energia, quatro navios participaram da pesquisa para pesar o conteúdo estomacal de baleias que infelizmente foram mortas para fins comerciais ou de pesquisa.

Figura 2: Taxas de consumo diário determinadas pelos quatro modelos relativos a várias baleias de barbatanas (Jubarte, Fin, Direita, Sei e Azul) (Reilly et al. 2004).

No total, 730 avistamentos de cetáceos foram registrados, incluindo 1.753 indivíduos separados. Foi determinado que 83% da ingestão anual de energia para as baleias nesta região ocorreu durante este
Alimentação de 120 dias na temporada de verão. A faixa de consumo total foi de 4-6% da posição
estoque de krill (Reilly et al. 2004). Essa porcentagem foi derivada do fato de que o estoque inicial incluía aproximadamente 44 milhões de toneladas de krill, dos quais as baleias consumiram algo entre 1,6 milhão e 2,7 milhões de toneladas (Reilly et al. 2004). Esses números permitiram que os cientistas fizessem conexões entre o alimento consumido e a quantidade total de energia que uma baleia precisa para realizar as funções corporais diárias para sobreviver. Também lhes permitiu tirar conclusões com base nos locais onde se alimentam para melhor proteger os animais ameaçados, bem como ajustar as cotações estabelecidas para a exploração comercial do krill, uma vez que é a sua principal fonte de alimento.

Com tudo isso em mente, ainda pode não fazer sentido por que um animal tão grande se alimentaria de alguns dos menores organismos do oceano. Baleias azuis, que podem ser de 20-30 metros longo, alimente-se de krill parecido com camarão que tem apenas 2-3 centímetros grande. Como afirmado acima, apenas dez por cento da energia obtida de um nível trófico é passada para o próximo nível trófico. Por essa razão, ecossistemas com cadeias alimentares mais longas são comprovadamente, às vezes, menos estáveis ​​do que aqueles cujas cadeias alimentares são mais curtas (Sinclair et al. 2003). Portanto, é mais vantajoso para a baleia comer animais em um nível trófico no qual há mais energia disponível para ser absorvida. Hill et al. Livro didático de 2018 Fisiologia Animal descreve este conceito com mais profundidade. Nele, eles contrastam dois diferentes mecanismos possíveis pelos quais uma baleia pode obter alimento. Uma é para a baleia comer peixes um pouco menores do que ela. Esses peixes podem comer peixes ligeiramente menores do que eles, e assim por diante. Neste caso, existem muitos níveis tróficos pelos quais a energia terá que passar antes de chegar à baleia. Para aplicar a regra dos dez por cento diretamente, podemos dizer que o produtor primário produz 10.000 unidades de energia obtidas do sol. Os crustáceos que se alimentam do produtor gerarão 1.000 unidades de energia, das quais os pequenos peixes que deles se alimentam produzirão apenas 100 unidades de energia. O peixe maior que se alimenta desse peixe produzirá apenas 1 unidade de energia, o que pode não ser suficiente para sustentar a grande baleia. É por isso que as baleias Baleen evoluíram evolutivamente para alimentadores de suspensão, usando placas Baleen para absorver grandes quantidades de água e vasculhar para encontrar pequenos krill. As baleias podem comer organismos muito menores que elas mesmas, o que pode reduzir os níveis tróficos entre o produtor primário e a própria baleia, disponibilizando energia para a população de baleias de 1.000 unidades, em vez de apenas 1. Em suma, encurtando a cadeia alimentar por sua vez, aumentará a energia alimentar disponível para as baleias por um fator de 1.000 (Figura 3) (Hill et al. 2018).

Figura 3: Cadeias alimentares mais curtas esgotam a energia disponível para as baleias menos do que cadeias alimentares mais longas. (Hill et al. 2018).

Ao compreender melhor a maneira como as baleias, ou qualquer outro animal, obtêm energia por meio dos alimentos, podemos implementar novas metodologias para protegê-las melhor. Por exemplo, agora que se sabe que o krill desempenha um papel extremamente importante na sobrevivência da Baleia Azul, as agências podem implementar novas estratégias de gestão ecológica para garantir que as populações de krill não sejam significativamente afetadas pelos impactos antropogênicos. Eles podem parecer criaturas invisíveis flutuando no oceano, mas para as baleias Baleen, eles significam muito mais.

Hill, Richard W., et al. 2018. Animal Physiology. Sinauer Associates / Oxford University Press. Nau.edu. “Vida na cadeia alimentar.” A cadeia alimentar.

Reilly, S., Hedley, S., Borberg, J., Hewitt, R., Thiele, D., Watkins, J. e Naganobu, M., 2004. Biomassa e transferência de energia para as baleias de barbatanas no setor do Atlântico Sul de o Oceano Antártico. Deep Sea Research - Parte II: Estudos Tópicos em Oceanografia, 51(12-13): 1397-1409.

Sinclair, Michael e G. Valdimarsson. 2003. Pesca Responsável no Ecossistema Marinho. Organização das Nações Unidas para Alimentação e Agricultura 8: 125-131.


O Fluxo de Energia: Níveis Tróficos Mais Elevados

A maioria de vocês agora está familiarizada com o conceito de nível trófico (veja a Figura 1). É simplesmente um nível de alimentação, geralmente representado em uma cadeia alimentar ou rede alimentar. Os produtores primários compreendem o nível trófico inferior, seguido pelos consumidores primários (herbívoros), depois pelos consumidores secundários (carnívoros que se alimentam de herbívoros) e assim por diante. Quando falamos em "subir" na cadeia alimentar, estamos falando figurativamente e queremos dizer que passamos das plantas aos herbívoros e aos carnívoros. Isso não leva em consideração os decompositores e detritívoros (organismos que se alimentam de matéria orgânica morta), que constituem suas próprias vias tróficas altamente importantes.

A transferência de energia para níveis tróficos mais elevados

No processo, o trabalho metabólico é realizado e a energia das ligações químicas é convertida em energia térmica. Se NPP não fosse consumido, iria se acumular em algum lugar. Normalmente isso não acontece, mas durante períodos da história da Terra, como o Carbonífero e a Pensilvânia, enormes quantidades de NPP em excesso do consumo se acumularam nos pântanos. Foi enterrado e comprimido para formar os depósitos de carvão e petróleo que mineramos hoje. Quando queimamos esses depósitos (mesma reação química acima, exceto que há maior produção de energia), liberamos a energia para acionar as máquinas da indústria e, claro, o CO2 vai para a atmosfera como um gás de efeito estufa. Essa é a situação que temos hoje, onde o excesso de CO2 da queima desses depósitos (após o excesso de NPP) está indo para a atmosfera e se acumulando com o tempo.

  • Apenas uma fração da energia disponível em um nível trófico é transferida para o próximo nível trófico.A regra prática é 10%, mas isso é muito aproximado.
  • Normalmente, o número e a biomassa dos organismos diminuem à medida que se sobe na cadeia alimentar.

Um exemplo: a raposa e a lebre


Uma lebre (ou uma população de lebres) ingere matéria vegetal que chamaremos de ingestão. Parte desse material é processado pelo sistema digestivo e usado para fazer novas células ou tecidos, e essa parte é chamada assimilação. O que não pode ser assimilado, por exemplo, talvez algumas partes dos caules ou raízes da planta, sai do corpo da lebre e isso é chamado excreção. Assim, podemos fazer a seguinte definição: Assimilação = (ingestão - excreção). A eficiência desse processo de assimilação varia em animais, variando de 15-50% se o alimento for material vegetal, e de 60-90% se o alimento for material animal.

A lebre usa uma fração significativa da energia assimilada apenas por ser uma lebre - mantendo uma temperatura corporal alta e constante, sintetizando proteínas e saltitando. Essa energia usada (perdida) é atribuída à respiração celular. O restante vai para a produção de mais biomassa de lebre por crescimento e reprodução. A conversão da energia assimilada em novo tecido é denominada produção secundária nos consumidores, e é conceitualmente igual à produção primária ou NPP de plantas. Em nosso exemplo, a produção secundária da lebre é a energia disponível para as raposas que comem as lebres para suas necessidades. Claramente, por causa de todos os custos de energia das lebres envolvidas em atividades metabólicas normais, a energia disponível para as raposas é muito menor do que a energia disponível para as lebres.

Assim como calculamos a eficiência de assimilação acima, também podemos calcular o eficiência de produção líquida para qualquer organismo. Essa eficiência é igual à produção dividida pela assimilação para os animais, ou o NPP dividido pelo GPP para as plantas. A "produção" aqui se refere ao crescimento mais reprodução. Na forma de equação, temos eficiência de produção líquida = (produção / assimilação), ou para plantas = (NPP / GPP). Essas proporções medem a eficiência com a qual um organismo converte a energia assimilada em produção primária ou secundária.

Essas eficiências variam entre os organismos, em grande parte devido aos requisitos metabólicos amplamente diferentes. Por exemplo, em média os vertebrados usam cerca de 98% da energia assimilada para o metabolismo, deixando apenas 2% para o crescimento e a reprodução. Em média, os invertebrados usam apenas

80% da energia assimilada para o metabolismo e, portanto, exibem maior eficiência de produção líquida (

20%) do que os vertebrados. As plantas têm as maiores eficiências de produção líquida, que variam de 30 a 85%. A razão de alguns organismos terem eficiências de produção tão baixas é que eles são homeotérmicos, ou animais que mantêm uma temperatura corporal interna constante. Isso requer muito mais energia do que é usado por poiquilotérmicos, que são organismos que não regulam suas temperaturas internamente.

Assim como podemos construir nossa compreensão de um sistema desde o indivíduo até a população e a comunidade, agora podemos examinar níveis tróficos inteiros calculando as eficiências ecológicas. Eficiência Ecológica é definido como o suprimento de energia disponível para o nível trófico N + 1, dividido pela energia consumida pelo nível trófico N. Você pode pensar nisso como a eficiência das lebres na conversão de plantas em alimento para raposas. Em forma de equação para nosso exemplo, o eficiência ecológica = (produção de raposas / produção de lebre).

Pensar em eficiência ecológica nos leva de volta à nossa primeira regra para a transferência de energia através dos níveis tróficos e para cima na cadeia alimentar. Em geral, apenas cerca de 10% da energia consumida por um nível está disponível para o próximo. Por exemplo, se as lebres consumirem 1000 kcal de energia da planta, elas podem ser capazes de formar apenas 100 kcal de novo tecido de lebre. Para que a população de lebres esteja em estado estacionário (sem aumentar nem diminuir), o consumo anual de lebres pelas raposas deve ser aproximadamente igual à produção anual de nova biomassa de lebres. Assim, as raposas consomem cerca de 100 kcal de biomassa de lebre e convertem talvez 10 kcal em nova biomassa de raposa. Na verdade, essa eficiência ecológica é bastante variável, com homeotermos em média de 1 a 5% e poiquilotérmicos em média de 5 a 15%. A perda geral de energia de níveis tróficos inferiores para superiores é importante para definir o número absoluto de níveis tróficos que qualquer ecossistema pode conter.

A partir desse entendimento, deve ser óbvio que a massa das raposas deve ser menor que a massa das lebres e a massa das lebres menor que a massa das plantas. Geralmente isso é verdade, e podemos representar esse conceito visualmente construindo uma pirâmide de biomassa para qualquer ecossistema (veja a Figura 3).

Figura 3. Uma pirâmide de biomassa mostrando produtores e consumidores.

Pirâmides de biomassa, energia e números

Também poderíamos construir um pirâmide de números, que como o próprio nome indica representa o número de organismos em cada nível trófico (veja a Figura 4a). Para os oceanos, conforme mostrado na Figura 4, o nível do fundo seria bastante grande, devido ao enorme número de pequenas algas. Para outros ecossistemas, a pirâmide de números pode ser invertida: por exemplo, se a comunidade de plantas de uma floresta fosse composta por apenas um punhado de árvores muito grandes e, ainda assim, houvesse muitos milhões de insetos pastando que comeram o material vegetal.

Assim como com a pirâmide invertida de números, em algumas raras exceções, poderia haver uma pirâmide invertida de biomassa, onde a biomassa do nível trófico inferior é menor do que a biomassa do nível trófico imediatamente superior. Os oceanos são uma exceção porque, em qualquer ponto do tempo, a quantidade total de biomassa em algas microscópicas é pequena. Assim, uma pirâmide de biomassa para os oceanos pode aparecer invertida (veja a Figura 4b). Agora você deve perguntar "como pode ser isso?" Se a quantidade de energia na biomassa em um nível define o limite de energia na biomassa no próximo nível, como foi o caso com as lebres e as raposas, como você pode ter menos energia no nível trófico inferior? Esta é uma boa pergunta e pode ser respondida considerando, como discutimos na última aula, todos os aspectos importantes do "tempo". Mesmo que a biomassa possa ser pequena, a TAXA com a qual a nova biomassa é produzida pode ser muito grande. Assim, ao longo do tempo, é a quantidade de nova biomassa produzida, de qualquer que seja o estoque permanente de biomassa, que é importante para o próximo nível trófico.

Podemos examinar isso mais detalhadamente, construindo um pirâmide de energia, que mostra taxas de produção em vez de cultura em pé. Uma vez feito isso, a figura do oceano teria a forma característica de pirâmide (veja a Figura 4c). As populações de algas podem dobrar em poucos dias, enquanto o zooplâncton que se alimenta delas se reproduz mais lentamente e pode dobrar de número em alguns meses, e os peixes que se alimentam de zooplâncton podem se reproduzir apenas uma vez por ano. Assim, uma pirâmide de energia leva em consideração a taxa de renovação dos organismos, e nunca pode ser invertido.

Figura 4: Pirâmides de números, biomassa e energia para os oceanos.

Vemos que pensar sobre as pirâmides de energia e o tempo de rotação é semelhante às nossas discussões sobre o tempo de residência dos elementos. Mas aqui estamos falando sobre o tempo de residência da "energia". O tempo de residência da energia é igual à energia na biomassa dividida pela produtividade líquida, Rt = (energia em biomassa / produtividade líquida). Se calcularmos o tempo de residência de energia nos produtores primários de vários ecossistemas, descobrimos que os tempos de residência variam de cerca de 20-25 anos para florestas (florestas tropicais e florestas boreais), até

3-5 anos para pastagens e, finalmente, redução para apenas 10-15 dias para lagos e oceanos. Esta diferença no tempo de residência entre os ecossistemas aquáticos e terrestres é refletida nas pirâmides de biomassa, como discutido acima, e também é muito importante considerar na análise de como esses diferentes ecossistemas responderiam a uma perturbação ou qual esquema poderia ser melhor usado para gerenciar o recursos do ecossistema.

Humanos e Consumo de Energia

Podemos começar observando as entradas e saídas:

  1. Quanto NPP humanos usam diretamente, como alimento, combustível, fibra, madeira. Isso dá um estimativa baixa de apropriação humana do NPP.
  2. Produtividade total das terras inteiramente dedicadas às atividades humanas. Isso inclui o total de NPP de terras agrícolas e também a energia consumida para fazer incêndios para limpar a terra. Isso dá um estimativa média.
  3. UMA estimativa alta é obtido incluindo a capacidade produtiva perdida resultante da conversão de áreas abertas em cidades, florestas em pastagens e devido à desertificação e outro uso excessivo da terra. Esta é uma estimativa do impacto humano total na produtividade terrestre.
    Unidades: Usaremos o Pg ou Pedagrama de matéria orgânica (= 10 15 g, = 10 9 toneladas métricas, = 1 "gigaton") (1 tonelada métrica = 1.000 kg).


A Tabela 1 fornece estimativas do NPP total do mundo. Há alguma possibilidade de que a NPP subterrânea seja subestimada e, da mesma forma, a NPP marinha pode estar subestimada porque a contribuição das menores células do plâncton não é bem conhecida. Total = 224,5 Pg
tabela 1: Área de superfície por tipo de cobertura e total
(de Atjay et al. 1979 e De Vooys 1979).

Tipo de Ecossistema Superfície
(x 10 6 km 2)
NPP
(Pg)
floresta 31 48.7
Floresta, pastagem e savana 37 52.1
Desertos 30 3.1
Ártico-alpino 25 2.1
Terra cultivada 16 15.0
Área humana 2 0.4
Outro terrestre
(chapparral, pântanos, pântanos, pântanos)
6 10.7
Subtotal terrestre 147 132.1
Lagos e riachos 2 0.8
Marinho 361 91.6
Subtotal aquático 363 93.4
Total 510 224.5

1. O Cálculo Baixo: (Ver Tabela 2)

(uma) Material vegetal consumido diretamente = 5 bilhões de pessoas X 2500 kcal / pessoa / dia X 0,2 (para converter kcal - matéria orgânica) = 0,91 Pg de matéria orgânica. Se assumirmos que 17% dessas calorias derivam de produtos de origem animal, o homem consome diretamente 0,76 Pg de matéria vegetal. A estimativa da colheita humana de grãos e outras safras de plantas é de 1,15 Pg anualmente. Isso implica perda, deterioração ou desperdício de 0,39 Pg, ou 34% da colheita total.

(b) Consumo pela pecuária: as estimativas variam de 2,8 a 5 Pg, e parece haver alguma incerteza aqui. Nossa estimativa baixa usa 2,2 Pg.

(c) Florestas: a colheita de madeira para construção e fibra é bem conhecida. A quantidade usada para lenha, especialmente nos trópicos, não é. A tabela fornece uma estimativa baixa.

(d) Colheita de peixes: 0,075 Pg de peso úmido = 0,02 Pg de peso seco. Se assumirmos que o peixe médio está duas transferências tróficas (@ 10% cada) acima dos produtores primários, o NPP para produzir esses peixes foi de 2 Pg anualmente.

Total: Humanos consomem 7,2 Pg de matéria orgânica diretamente a cada ano. Isso é cerca de 3% do NPP anual total da biosfera.

2. O Cálculo Intermediário: (Consulte a Tabela 3)

Acrescentamos ao cálculo baixo a quantidade de NPP cooptada por humanos. Isto é:

(a) NPP de todas as terras cultiváveis

(b) Todas as pastagens que foram convertidas de outros tipos de ecossistema, NPP consumida pelo gado em pastagens naturais e incêndios provocados pelo homem

(c) Uma série de usos de terras florestais

(d) Áreas ocupadas por humanos, incluindo gramados, parques, campos de golfe, etc.

O total é 42,6 Pg de NPP por ano, ou 19% do NPP mundial.

Tabela 3:Cálculo intermediário de NPP cooptado por humanos

Fonte NPP
Cooptado
(Pg)
Terra cultivada 15.0
Terra de pastagem :
Pastagens convertidas
Consumido em pastagens naturais
Queimado em pastagem natural
Subtotal

9.8
0.8
1.0
11.6
Área florestal :
Morto durante a colheita, não usado
Agricultura itinerante
Limpeza de terreno
Produtividade de plantação florestal
Colheitas florestais
Subtotal

1.3
6.1
2.4
1.6
2.2
13.6
Áreas ocupadas por humanos 0.4
SUBTOTAL TERRESTRE 40.6
Ecossistemas aquáticos 2.0
TOTAL 42.6
Porcentagem terrestre cooptada
(40.6/132.1)
30.7
Porcentagem aquática cooptada
(2.0/92.4)
2.2

3. O Cálculo Alto: (Ver Tabela 4)

Para a estimativa alta, agora incluímos tanto o NPP cooptado quanto o NPP potencial perdido como consequência das atividades humanas:

(a) É provável que as terras agrícolas sejam menos produtivas do que os sistemas naturais que substituem. Se usarmos as estimativas de produção de savanas-pastagens, parece que a produção de terras agrícolas é menor em 9 Pg.

(b) Conversão de floresta em pasto: os cerca de 7 milhões de km 2 de floresta convertidos em pastagem representam uma perda de 1,4 Pg.

(c) Uso excessivo: Cerca de 35 milhões de km 2 de terra tornaram-se mais áridos e menos produtivos como resultado do uso excessivo do homem, cerca de 15 milhões de km 2 de forma severa. Usando estimativas de savana seca de NPP, NPP global foi reduzido em 4,5 Pg.

(d) Conversão de terras: Supondo que 2 milhões de km 2 de terras em cidades, rodovias, etc. tivessem uma produtividade equivalente a florestas naturais, 2,6 Pg de NPP são perdidos.


o total pois a estimativa alta é de 58,1 Pg de NPP usado, cooptado ou perdido. Também devemos adicionar o NPP potencial ao NPP estimado mundial antes de calcular a fração apropriada pelos humanos. Isso nos dá 58,1 / 149,6, ou quase 40% da produção potencial terrestre (cerca de 25% da produção terrestre + aquática). Advertência: essas estimativas são baseadas nos melhores dados disponíveis e são aproximadas. Eles provavelmente fornecem a ordem de magnitude correta.

Tabela 4: Cálculo alto de NPP cooptado por humanos.
Adições à Tabela 3 de processos que cooptam ou degradam NPP.

Processo Quantia
(Pg)
Total terrestre anterior (Tabela 3) 40.6
NPP diminuído na agricultura 9
Conversão de floresta em pastagem 1.4
Desertificação 4.5
Perda para áreas humanas 2.6
Terrestre total 58.1
Porcentagem terrestre cooptada ou perdida
(58.1/149.8)
38.8
Porcentagem terrestre mais aquática cooptada
ou perdido [60,1 / (149,8 + 92,4)]
24.8

O que podemos concluir da análise acima sobre o destino da produção primária líquida em nosso mundo?

(a) O uso humano da produtividade marinha é relativamente pequeno. Além disso, embora os principais estoques de peixes sejam pesadamente pescados e muitas áreas costeiras sejam severamente poluídas, o impacto humano nos mares é menor do que em terra.

(b) Em terra, uma espécie, Homo sapiens, comanda cerca de 40% do total da NPP terrestre. Isso provavelmente nunca ocorreu antes na história da Terra.

(c) Existem muitas consequências desta cooptação de NPP por humanos. As consequências incluem degradação ambiental, extinção de espécies e alterações climáticas.

(d) A "capacidade de suporte" humana na Terra é difícil de estimar, porque depende da riqueza de uma população e da tecnologia que sustenta essa população. Mas nos níveis atuais de afluência e tecnologia, uma população de 50 a 100% maior do que temos hoje levaria nosso uso de NPP terrestre para bem mais de 50% da produção disponível e a degradação de ecossistemas na terra (por exemplo, ar e poluição da água) seria uma grande preocupação. Portanto, os limites do crescimento descontrolado devem estar muito próximos. Observe que quanto mais baixo nos "alimentamos" na cadeia trófica, mais eficiente se torna a teia da vida - comer animais que comem animais que comem plantas é um uso muito ineficiente da energia solar.

Agora que aprendemos algo sobre como os ecossistemas são formados e como os materiais e a energia fluem através dos ecossistemas, podemos abordar melhor a questão de "o que controla a função do ecossistema"? Existem duas teorias dominantes sobre o controle dos ecossistemas. O primeiro, chamado controle de baixo para cima, afirma que é o fornecimento de nutrientes aos produtores primários que, em última análise, controla o funcionamento dos ecossistemas. Se o suprimento de nutrientes for aumentado, o aumento resultante na produção de autótrofos é propagado através da teia alimentar e todos os outros níveis tróficos responderão ao aumento da disponibilidade de alimentos (energia e materiais terão um ciclo mais rápido).

A segunda teoria, chamada controle de cima para baixo, afirma que a predação e o pastoreio por níveis tróficos mais elevados em níveis tróficos mais baixos, em última análise, controlam a função do ecossistema. Por exemplo, se você tiver um aumento de predadores, esse aumento resultará em menos pastores e essa diminuição em pastores resultará, por sua vez, em mais produtores primários, porque menos deles estão sendo comidos pelos pastores. Assim, o controle do número da população e da produtividade geral "cai" dos níveis superiores da cadeia alimentar até os níveis tróficos inferiores.

Então, qual teoria está correta? Bem, como costuma ser o caso quando há uma dicotomia clara para escolher, a resposta está em algum lugar no meio. Há evidências de muitos estudos de ecossistemas de que AMBOS os controles estão operando em algum grau, mas NENHUM controle está completo. Por exemplo, o efeito "de cima para baixo" costuma ser muito forte em níveis tróficos próximos aos principais predadores, mas o controle enfraquece à medida que você desce na cadeia alimentar. Da mesma forma, o efeito "de baixo para cima" da adição de nutrientes geralmente estimula a produção primária, mas o estímulo da produção secundária mais acima na cadeia alimentar é menos forte ou está ausente.

Assim, descobrimos que ambos os controles estão operando em qualquer sistema a qualquer momento, e devemos entender a importância relativa de cada controle para nos ajudar a prever como um ecossistema se comportará ou mudará em diferentes circunstâncias, como na face de um clima em mudança.

Resumo

  1. Apenas uma fração da energia disponível em um nível trófico é transferida para o próximo nível trófico, as frações podem variar entre 1-15%, com um valor médio de 10%.
  2. Normalmente, o número e a biomassa dos organismos diminuem à medida que se sobe na cadeia alimentar.
  3. Podemos construir pirâmides de biomassa, energia e números para representar os tamanhos relativos dos níveis tróficos nos ecossistemas. As pirâmides podem frequentemente ser "invertidas" como consequência de altas taxas de produção em níveis tróficos mais baixos.
  4. A dieta humana é derivada de material vegetal. Os humanos podem consumir, cooptar ou indisponibilizar até 40% do total da NPP terrestre da terra para alimentos, terra e outros usos.
  5. A função do ecossistema é controlada principalmente por dois processos, controles "de cima para baixo" e "de baixo para cima".

Análise

Revisão dos principais termos e conceitos desta aula.

    Wessells, N.K. e J.L. Hopson. 1988. Biologia. Nova York: Random House, cap. 44

Todos os materiais são para os Regentes da Universidade de Michigan, a menos que indicado de outra forma.


Modelos Analíticos e de Simulação

A principal limitação dos modelos conceituais é sua incapacidade de prever as consequências das mudanças nas espécies de ecossistemas e / ou meio ambiente. Ecossistemas são entidades dinâmicas e sujeitas a uma variedade de distúrbios abióticos e bióticos causados ​​por forças naturais e / ou atividade humana. Ecossistemas alterados de seu estado de equilíbrio inicial podem freqüentemente se recuperar de tais distúrbios e retornar a um estado de equilíbrio. Como a maioria dos ecossistemas está sujeita a perturbações periódicas e frequentemente em um estado de mudança, eles geralmente estão se aproximando ou se afastando de seu estado de equilíbrio. Existem muitos desses estados de equilíbrio entre os vários componentes de um ecossistema, o que afeta o ecossistema como um todo. Além disso, como os humanos têm a capacidade de alterar grande e rapidamente o conteúdo das espécies e o habitat de um ecossistema, a necessidade de modelos preditivos que possibilitem a compreensão de como os ecossistemas respondem a essas mudanças torna-se mais crucial.

Modelos analíticos geralmente usam componentes lineares simples de ecossistemas, como cadeias alimentares, e são conhecidos por serem matematicamente complexos, portanto, eles requerem uma quantidade significativa de conhecimento matemático e especialização.Embora os modelos analíticos tenham grande potencial, sua simplificação de ecossistemas complexos limita sua precisão. Os modelos de simulação que usam programas de computador são mais capazes de lidar com as complexidades da estrutura do ecossistema.

Um desenvolvimento recente em modelagem de simulação usa supercomputadores para criar e executar simulações baseadas em indivíduos, que levam em consideração o comportamento de organismos individuais e seus efeitos no ecossistema como um todo. Essas simulações são consideradas as mais precisas e preditivas das complexas respostas dos ecossistemas aos distúrbios.

Visite o Projeto Darwin para ver uma variedade de modelos de ecossistema.


Ecossistema

Um ecossistema é uma área geográfica onde plantas, animais e outros organismos, bem como clima e paisagens, trabalham juntos para formar uma bolha de vida.

Biologia, Ecologia, Ciências da Terra, Meteorologia, Geografia, Geografia Humana, Geografia Física

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Um ecossistema é uma área geográfica onde plantas, animais e outros organismos, assim como o clima e a paisagem, trabalham juntos para formar uma bolha de vida. Os ecossistemas contêm partes bióticas ou vivas, bem como fatores abióticos, ou partes não vivas. Os fatores bióticos incluem plantas, animais e outros organismos. Fatores abióticos incluem rochas, temperatura e umidade.

Cada fator em um ecossistema depende de todos os outros fatores, direta ou indiretamente. Uma mudança na temperatura de um ecossistema geralmente afetará as plantas que crescerão nele, por exemplo. Animais que dependem de plantas para alimentação e abrigo terão que se adaptar às mudanças, mudar para outro ecossistema ou morrer.

Os ecossistemas podem ser muito grandes ou muito pequenos. Poças de maré, as lagoas deixadas pelo oceano quando a maré baixa, são ecossistemas minúsculos completos. Poças de maré contêm algas marinhas, um tipo de alga, que usa a fotossíntese para criar alimentos. Herbívoros como o abalone comem as algas marinhas. Carnívoros, como estrelas do mar, comem outros animais na piscina da maré, como mariscos ou mexilhões. Poças de maré dependem da mudança do nível da água do oceano. Alguns organismos, como as algas marinhas, prosperam em um ambiente aquático, quando a maré está alta e a piscina está cheia. Outros organismos, como os caranguejos eremitas, não podem viver debaixo d'água e dependem das poças rasas deixadas pelas marés baixas. Dessa forma, as partes bióticas do ecossistema dependem de fatores abióticos.

Toda a superfície da Terra é uma série de ecossistemas conectados. Os ecossistemas geralmente estão conectados em um bioma maior. Biomas são grandes seções de terra, mar ou atmosfera. Florestas, lagoas, recifes e tundra são todos tipos de biomas, por exemplo. Eles são organizados de forma muito geral, com base nos tipos de plantas e animais que vivem neles. Dentro de cada floresta, cada lagoa, cada recife ou cada seção da tundra, você encontrará muitos ecossistemas diferentes.

O bioma do Deserto do Saara, por exemplo, inclui uma grande variedade de ecossistemas. O clima árido e o clima quente caracterizam o bioma. Dentro do Saara existem ecossistemas de oásis, que possuem tamareiras, água doce e animais como crocodilos. O Saara também possui ecossistemas de dunas, com a paisagem mutante determinada pelo vento. Os organismos nesses ecossistemas, como cobras ou escorpiões, devem ser capazes de sobreviver em dunas de areia por longos períodos de tempo. O Saara ainda inclui um ambiente marinho, onde o Oceano Atlântico cria nevoeiros frios na costa noroeste da África. Arbustos e animais que se alimentam de pequenas árvores, como cabras, vivem neste ecossistema do Saara.

Mesmo biomas com sons semelhantes podem ter ecossistemas completamente diferentes. O bioma do Deserto do Saara, por exemplo, é muito diferente do bioma do Deserto de Gobi na Mongólia e na China. O Gobi é um deserto frio, com nevascas frequentes e temperaturas congelantes. Ao contrário do Saara, o Gobi possui ecossistemas baseados não em areia, mas em quilômetros de rocha nua. Algumas gramíneas podem crescer no clima frio e seco. Como resultado, esses ecossistemas de Gobi têm animais pastando, como gazelas e até mesmo takhi, uma espécie em extinção de cavalo selvagem.

Até mesmo os frios ecossistemas do deserto de Gobi são distintos dos congelantes ecossistemas do deserto da Antártica. A espessa camada de gelo da Antártica cobre um continente feito quase inteiramente de rocha seca e nua. Apenas alguns musgos crescem neste ecossistema desértico, sustentando apenas alguns pássaros, como os skuas.

Ameaças aos ecossistemas

Por milhares de anos, as pessoas interagiram com os ecossistemas. Muitas culturas se desenvolveram em torno de ecossistemas próximos. Muitas tribos nativas americanas das Grandes Planícies da América do Norte desenvolveram um estilo de vida complexo baseado nas plantas e animais nativos dos ecossistemas das planícies, por exemplo. Bison, um grande animal de pasto nativo das Grandes Planícies, tornou-se o fator biótico mais importante em muitas culturas dos índios das planícies, como os lakota ou kiowa. Os bisontes às vezes são chamados erroneamente de búfalos. Essas tribos usavam peles de búfalo como abrigo e roupas, carne de búfalo como alimento e chifre de búfalo como ferramentas. A pradaria de capim-alto das Grandes Planícies sustentava rebanhos de bisões, que as tribos seguiam ao longo do ano.

À medida que as populações humanas cresceram, no entanto, as pessoas tomaram conta de muitos ecossistemas. A pradaria de capim-alto das Grandes Planícies, por exemplo, tornou-se terra de cultivo. À medida que o ecossistema encolhia, menos bisões poderiam sobreviver. Hoje, alguns rebanhos sobrevivem em ecossistemas protegidos, como o Parque Nacional de Yellowstone.

Nos ecossistemas da floresta tropical ao redor do rio Amazonas na América do Sul, uma situação semelhante está ocorrendo. A floresta tropical amazônica inclui centenas de ecossistemas, incluindo copas, sub-bosques e pisos de floresta. Esses ecossistemas sustentam vastas teias alimentares.

Os dosséis são ecossistemas no topo da floresta tropical, onde árvores altas e finas como os figos crescem em busca da luz solar. Ecossistemas de dossel também incluem outras plantas, chamadas epífitas, que crescem diretamente nos galhos. Ecossistemas de sub-bosque existem sob o dossel. Eles são mais escuros e mais úmidos do que os dosséis. Animais como macacos vivem em ecossistemas de sub-bosque, comendo frutas de árvores e também de animais menores, como besouros. Os ecossistemas do solo da floresta sustentam uma grande variedade de flores, que são alimentadas por insetos como borboletas. As borboletas, por sua vez, fornecem alimento para animais como aranhas nos ecossistemas do solo da floresta.

A atividade humana ameaça todos esses ecossistemas da floresta tropical na Amazônia. Milhares de acres de terra são desmatados para cultivo, habitação e indústria. Países da floresta amazônica, como Brasil, Venezuela e Equador, são subdesenvolvidos. O corte de árvores para dar lugar a plantações como soja e milho beneficia muitos agricultores pobres. Esses recursos são uma fonte confiável de renda e alimentos. As crianças podem frequentar a escola e as famílias podem pagar melhores cuidados de saúde.

No entanto, a destruição dos ecossistemas da floresta tropical tem seus custos. Muitos medicamentos modernos foram desenvolvidos a partir de plantas da floresta tropical. O curare, um relaxante muscular, e o quinino, usado no tratamento da malária, são apenas dois desses medicamentos. Muitos cientistas temem que a destruição do ecossistema da floresta tropical possa impedir o desenvolvimento de mais medicamentos.

Os ecossistemas da floresta tropical também constituem terras agrícolas pobres. Ao contrário dos ricos solos das Grandes Planícies, onde as pessoas destruíram o ecossistema das pradarias de capim-alto, o solo da floresta amazônica é ralo e tem poucos nutrientes. Apenas algumas safras podem crescer antes que todos os nutrientes sejam absorvidos. O agricultor ou o agronegócio devem seguir para o próximo pedaço de terra, deixando um ecossistema vazio para trás.

Ecossistemas de recuperação

Os ecossistemas podem se recuperar da destruição, no entanto. Os delicados ecossistemas de recifes de coral no Pacífico Sul estão em risco devido ao aumento da temperatura do oceano e à diminuição da salinidade. Os corais descoram, ou perdem suas cores brilhantes, em água muito quente. Eles morrem em água que não é salgada o suficiente. Sem a estrutura do recife, o ecossistema entra em colapso. Organismos como algas, plantas como ervas marinhas e animais como peixes, cobras e camarões desaparecem.

A maioria dos ecossistemas de recifes de coral vai se recuperar do colapso. À medida que a temperatura do oceano esfria e retém mais sal, os corais coloridos retornam. Lentamente, eles constroem recifes. Algas, plantas e animais também retornam.

Pessoas, culturas e governos estão trabalhando para preservar ecossistemas que são importantes para eles. O governo do Equador, por exemplo, reconhece os direitos do ecossistema na constituição do país. Os chamados Direitos da Natureza dizem Natureza ou Pachamama [Terra], onde a vida se reproduz e existe, tem o direito de existir, persistir, manter e regenerar seus ciclos vitais, estrutura, funções e seus processos em evolução. Cada pessoa, povo, comunidade ou nacionalidade, poderá exigir o reconhecimento dos direitos da natureza perante os órgãos públicos. O Equador é o lar não apenas de ecossistemas de floresta tropical, mas também de ecossistemas fluviais e dos notáveis ​​ecossistemas das Ilhas Galápagos.

Fotografia de Lela Bouse-McCracken, MyShot

Ecocídio
A destruição de ecossistemas inteiros por seres humanos tem sido chamada de ecocídio, ou assassinato do meio ambiente.

Ecossistema Humano
"Ecossistema humano" é o termo que os cientistas usam para estudar a maneira como as pessoas interagem com seus ecossistemas. O estudo dos ecossistemas humanos considera geografia, ecologia, tecnologia, economia, política e história. O estudo dos ecossistemas urbanos concentra-se nas cidades e subúrbios.

Triângulo de Coral
O ecossistema mais diversificado do mundo é o enorme Triângulo de Coral no sudeste da Ásia. O Triângulo de Coral se estende das Filipinas, no norte, às Ilhas Salomão, no leste, até as ilhas da Indonésia e Papua no oeste.

Bactriano e dromedário
Diferentes ecossistemas desérticos suportam diferentes espécies de camelos. O dromedário é alto e rápido, com pernas longas. É nativo dos desertos quentes e secos do Norte da África e da Península Arábica. O camelo bactriano tem uma pelagem mais espessa, é mais curto e tem mais gordura corporal que o dromedário. O camelo bactriano é nativo das estepes frias do deserto da Ásia Central.

É fácil distinguir os dois tipos de camelo: os dromedários têm uma corcunda, os bactrianos têm duas.


Importância da luz solar em um ecossistema | Ambiente

Neste artigo falaremos sobre a importância da luz solar em um ecossistema.

A luz solar é uma parte importante das condições abióticas em um ecossistema. O sol é a principal fonte de energia em nosso planeta. Acima do infravermelho em frequência, vem a luz visível. O Sol emite sua potência de pico na região visível, embora a integração de todo o espectro de potência de emissão em todos os comprimentos de onda mostre que o Sol emite um pouco mais infravermelho do que a luz visível.

A luz visível é a parte do espectro EM à qual o olho humano é mais sensível. A luz visível (e a luz infravermelha próxima) é normalmente absorvida e emitida por elétrons em moléculas e átomos que se movem de um nível de energia para outro.

A luz que excita o sistema visual humano é uma porção muito pequena do espectro eletromagnético. Um arco-íris mostra que a parte óptica (visível) do espectro eletromagnético infravermelho (se você pudesse vê-lo) estaria localizada logo além do lado vermelho do arco-íris, com o ultravioleta aparecendo logo além da extremidade violeta.

A radiação eletromagnética com comprimento de onda entre 380 nm e 760 nm (400-790 terahertz) é detectada pelo olho humano e percebida como luz visível. Outros comprimentos de onda, especialmente infravermelho próximo (maior que 760 nm) e ultravioleta (menor que 380 nm) também são às vezes chamados de luz, especialmente quando a visibilidade para humanos não é relevante.

A luz branca é uma combinação de luzes de diferentes comprimentos de onda no espectro visível. A passagem de luz branca por um prisma divide-a em várias cores de luz observadas no espectro visível entre 400 nm e 780 nm. A energia da luz (luz solar) é a principal fonte de energia em quase todos os ecossistemas.

É a energia que é utilizada pelas plantas verdes (que contêm clorofila) durante o processo de fotossíntese, um processo durante o qual as plantas fabricam substâncias orgânicas combinando substâncias inorgânicas.

A luz visível é de grande importância para as plantas porque é necessária para a fotossíntese e o resto da energia solar refletida ou absorvida pela atmosfera. Fatores como a qualidade da luz, a intensidade da luz e a duração do período de luz (duração do dia) desempenham um papel importante em um ecossistema.

(i) Qualidade da luz (comprimento de onda ou cor):

As plantas absorvem luz azul e vermelha durante a fotossíntese. Em ecossistemas terrestres, a qualidade da luz não muda muito. Em ecossistemas aquáticos, a qualidade da luz pode ser um fator limitante. Tanto a luz azul quanto a vermelha são absorvidas e, como resultado, não penetram profundamente na água. Para compensar isso, algumas algas têm pigmentos adicionais que são capazes de absorver outras cores também.

A intensidade da luz que atinge a terra varia de acordo com a latitude e a estação do ano. O hemisfério sul recebe menos de 12 horas de luz solar durante o período entre 21 de março e 23 de setembro, mas recebe mais de 12 horas de luz solar durante os seis meses seguintes.


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Como funcionam os ecossistemas e o que eles fazem?

Agora que sabemos que os ecossistemas estão ao nosso redor, vamos tentar descobrir o que exatamente os ecossistemas fazem. Como sabemos que os ecossistemas são compostos de muitas partes abióticas e bióticas em interação, essas interações devem ser a chave do que os ecossistemas podem fazer. Primeiro, um ecossistema precisa de energia para funcionar. Assim como o computador que você está usando para ler isto, um ecossistema não pode funcionar sem energia. Em muitos ecossistemas, a energia entra primeiro no ecossistema vinda do sol. Você pode ter ouvido falar de eletricidade movida a energia solar. Bem, muitos ecossistemas também são movidos a energia solar. As plantas e algumas bactérias podem capturar energia da luz solar e armazená-la em seus tecidos. Eles usam a energia para crescer e se reproduzir.

A energia capturada pelas plantas não fica lá para sempre. As plantas são alimentos para os consumidores, portanto, a energia nos tecidos vegetais é passada para os organismos que comem as plantas. Os predadores obtêm sua energia comendo consumidores. Plantas e animais mortos são alimento para microrganismos minúsculos, como bactérias e fungos. Você provavelmente conhece essas relações de alimentação como uma teia alimentar. A teia alimentar permite que a energia flua através do ecossistema e impulsione as atividades de muitos organismos (incluindo pessoas).

Os ecossistemas incluem coisas que você pode ver, como água, solo e vegetação. Eles também incluem coisas que estão escondidas de nossos olhos, como organismos que vivem no subsolo e microrganismos que são pequenos demais para serem vistos com nossos olhos. Ecossistemas incluem não apenas coisas vivas e não vivas, mas também interações entre elas. Nesse ecossistema florestal, a precipitação, representada por setas azuis, pode ser absorvida pelas plantas pelas raízes, ou pode se infiltrar no solo e ser armazenada como água subterrânea. A luz solar, mostrada em amarelo, fornece energia para as plantas. Essa energia pode ser passada para animais que comem plantas (mostrado pela seta verde), como o cervo nesta floresta. A energia nas plantas também pode ser passada para decompositores (setas marrons), como minhocas e bactérias que vivem em plantas mortas ou solos. Microrganismos que estão ligados às raízes das plantas podem ajudar as plantas a capturar alguns dos nutrientes que são liberados quando os decompositores quebram os materiais mortos. (crédito da foto: Paula Flynn, Extensão da Universidade Estadual de Iowa)

Se você já tomou vitaminas, foi instruído a comer vegetais ou tomou um gole de uma bebida energética, sabe que os alimentos contêm mais do que apenas energia. Os organismos obtêm nutrientes essenciais como nitrogênio e fósforo de seus alimentos, além de energia. Os nutrientes circulam pelas partes abióticas e bióticas dos ecossistemas e são passados ​​entre os organismos em uma teia alimentar. Os nutrientes também podem ser convertidos em formas, mover-se pelo ecossistema na água ou no vento ou podem deixar o ecossistema inteiramente. Siga o salmão abaixo para saber o que acontece com os nutrientes quando eles deixam o ecossistema.

Você deve ter ouvido que os ecossistemas são delicados e podem mudar apenas com a menor influência externa. Os ecossistemas estão sempre mudando, então é verdade que os ecossistemas raramente permanecem os mesmos por longos períodos de tempo. Mas os ecossistemas estão longe de ser delicados. Às vezes, as mudanças nos ecossistemas são lentas e graduais, como uma floresta crescendo de um grupo de mudas para árvores velhas. Outras vezes, as mudanças acontecem repentinamente. Incêndios, inundações ou erupções vulcânicas podem remover rapidamente a maioria das partes bióticas de um ecossistema e podem até mesmo alterar as partes abióticas.

Agora que você sabe o que é um ecossistema, como os ecossistemas estão relacionados?

Freqüentemente, os ecossistemas podem se recuperar dessas grandes mudanças e voltar a ser como eram antes do evento repentino. Usamos a palavra resiliência para descrever a capacidade de se recuperar de uma mudança nas condições. No entanto, há mudanças nos ecossistemas que são tão grandes que os ecossistemas não podem se recuperar. O aquecimento do clima e os insumos de fertilizantes da agricultura são exemplos de forças contra as quais os ecossistemas geralmente não se recuperam.

Imagens adicionais da Wikimedia. Imagem da boca humana por Ανώνυμος Βικιπαιδιστής.


Assista o vídeo: ENERGIA DAS PLANTAS: TUDO QUE VOCÊ PRECISA SABER. CA #106 (Novembro 2021).