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18.5: Fluxo de energia através dos ecossistemas - Biologia


objetivos de aprendizado

  • Descreva como a energia flui através dos ecossistemas

Todas as coisas vivas requerem energia de uma forma ou de outra. A energia é exigida pela maioria das vias metabólicas complexas (frequentemente na forma de trifosfato de adenosina, ATP), especialmente aquelas responsáveis ​​pela construção de grandes moléculas a partir de compostos menores, e a própria vida é um processo dirigido por energia. Os organismos vivos não seriam capazes de montar macromoléculas (proteínas, lipídios, ácidos nucléicos e carboidratos complexos) a partir de suas subunidades monoméricas sem um aporte constante de energia.

É importante entender como os organismos adquirem energia e como essa energia é passada de um organismo para outro através das teias alimentares e suas cadeias alimentares constituintes. As redes alimentares ilustram como a energia flui direcionalmente através dos ecossistemas, incluindo a eficiência com que os organismos a adquirem, usam e quanto resta para uso por outros organismos da rede alimentar.

Como os organismos adquirem energia em uma teia alimentar

A energia é adquirida por seres vivos de três maneiras: fotossíntese, quimiossíntese e o consumo e digestão de outros organismos vivos ou anteriormente vivos por heterótrofos.

Organismos fotossintéticos e quimiossintéticos são agrupados em uma categoria conhecida como autótrofos: organismos capazes de sintetizar seus próprios alimentos (mais especificamente, capazes de usar carbono inorgânico como fonte de carbono). Os autotróficos fotossintéticos (fotoautotróficos) usam a luz solar como fonte de energia, enquanto os autótrofos quimiossintéticos (quimioautotróficos) usam moléculas inorgânicas como fonte de energia. Autotróficos são essenciais para todos os ecossistemas. Sem esses organismos, a energia não estaria disponível para outros organismos vivos e a própria vida não seria possível.

Fotoautotróficos, como plantas, algas e bactérias fotossintéticas, servem como fonte de energia para a maioria dos ecossistemas do mundo. Esses ecossistemas são frequentemente descritos por pastagens nas teias alimentares. Os fotoautótrofos aproveitam a energia solar do sol, convertendo-a em energia química na forma de ATP (e NADP). A energia armazenada no ATP é usada para sintetizar moléculas orgânicas complexas, como a glicose.

Quimioautotróficos são principalmente bactérias que são encontradas em ecossistemas raros onde a luz solar não está disponível, como aqueles associados a cavernas escuras ou fontes hidrotermais no fundo do oceano (Figura 1). Muitos quimioautótrofos em fontes hidrotermais usam sulfeto de hidrogênio (H2S), que é liberado pelas aberturas como fonte de energia química. Isso permite que os quimioautótrofos sintetizem moléculas orgânicas complexas, como a glicose, para obter sua própria energia e, por sua vez, fornece energia para o resto do ecossistema.

Produtividade dentro dos níveis tróficos

A produtividade dentro de um ecossistema pode ser definida como a porcentagem de energia que entra no ecossistema incorporada à biomassa em um determinado nível trófico. Biomassa é a massa total, em uma área unitária no momento da medição, de organismos vivos ou previamente vivos dentro de um nível trófico. Os ecossistemas têm quantidades características de biomassa em cada nível trófico. Por exemplo, no ecossistema do Canal da Mancha, os produtores primários são responsáveis ​​por uma biomassa de 4 g / m2 (gramas por metro quadrado), enquanto os consumidores primários exibem uma biomassa de 21 g / m2.

A produtividade dos produtores primários é especialmente importante em qualquer ecossistema porque esses organismos trazem energia para outros organismos vivos por fotoautotrofia ou quimioautotrofia. A taxa na qual os produtores primários fotossintéticos incorporam energia do sol é chamada produtividade primária bruta. Um exemplo de produtividade primária bruta é mostrado no diagrama de compartimento do fluxo de energia no estudo clássico de Howard T. Odum sobre o ecossistema holístico de Silver Springs, Flórida, em meados do século XX (Figura 2). Este estudo mostra o conteúdo e a transferência de energia entre vários compartimentos do ecossistema. Nesse ecossistema, a energia total acumulada pelos produtores primários (produtividade primária bruta) foi de 20.810 kcal / m.2/ ano

Pergunta Prática

Por que você acha que o valor da produtividade bruta dos produtores primários é o mesmo que o valor total de calor e respiração (20.810 kcal / m2/ ano)?

[linhas da área de prática = ”2 ″] [/ área de prática]
[revelar-resposta q = ”439384 ″] Mostrar resposta [/ revelar-resposta]
[resposta oculta a = ”439384 ″] De acordo com a primeira lei da termodinâmica, a energia não pode ser criada nem destruída. Eventualmente, toda a energia consumida pelos sistemas vivos é perdida na forma de calor ou usada para a respiração, e a produção total de energia do sistema deve ser igual à energia que entrou nele. [/ Resposta oculta]

Como todos os organismos precisam usar parte dessa energia para suas próprias funções (como a respiração e a perda metabólica de calor resultante), os cientistas costumam se referir à produtividade primária líquida de um ecossistema. Produtividade primária líquida é a energia que permanece nos produtores primários depois de contabilizar a respiração e a perda de calor dos organismos. A produtividade líquida fica então disponível para os consumidores primários no próximo nível trófico. Em nosso exemplo de Silver Spring, 13.187 das 20.810 kcal / m2/ ano foram usados ​​para respiração ou foram perdidos como calor, deixando 7.632 kcal / m2/ ano de energia para uso pelos consumidores primários.

Eficiência Ecológica

Conforme ilustrado na Figura 2, grandes quantidades de energia são perdidas do ecossistema de um nível trófico para o próximo, conforme a energia flui dos produtores primários para os vários níveis tróficos de consumidores e decompositores. A principal razão para essa perda é a segunda lei da termodinâmica, que afirma que sempre que a energia é convertida de uma forma para outra, há uma tendência à desordem (entropia) no sistema. Em sistemas biológicos, isso significa que uma grande quantidade de energia é perdida como calor metabólico quando os organismos de um nível trófico consomem o próximo nível. No exemplo do ecossistema de Silver Springs (Figura 2), vemos que os consumidores primários produziram 1103 kcal / m2/ ano a partir de 7618 kcal / m2/ ano de energia disponível para eles dos produtores primários. A medição da eficiência de transferência de energia entre dois níveis tróficos sucessivos é chamada de eficiência de transferência de nível trófico (TLTE) e é definido pela fórmula:

Em Silver Springs, o TLTE entre os dois primeiros níveis tróficos foi de aproximadamente 14,8 por cento. A baixa eficiência da transferência de energia entre os níveis tróficos é geralmente o principal fator que limita o comprimento das cadeias alimentares observadas em uma teia alimentar. O fato é que, após quatro a seis transferências de energia, não há energia suficiente para sustentar outro nível trófico. Voltando ao exemplo do Lago Ontário (mostrado na Figura 3), apenas três transferências de energia ocorreram entre o produtor primário (algas verdes) e o consumidor máximo (salmão Chinook).

Os ecologistas têm muitos métodos diferentes para medir as transferências de energia dentro dos ecossistemas. Algumas transferências são mais fáceis ou mais difíceis de medir, dependendo da complexidade do ecossistema e de quanto acesso os cientistas têm para observar o ecossistema. Em outras palavras, alguns ecossistemas são mais difíceis de estudar do que outros e, às vezes, a quantificação das transferências de energia precisa ser estimada.

Outro parâmetro principal importante na caracterização do fluxo de energia em um ecossistema é a eficiência de produção líquida. Eficiência de produção líquida (NPE) permite que os ecologistas quantifiquem com que eficiência os organismos de um determinado nível trófico incorporam a energia que recebem à biomassa; é calculado usando a seguinte fórmula:

Produtividade líquida do consumidor é o conteúdo de energia disponível para os organismos do próximo nível trófico. Assimilação é a biomassa (conteúdo de energia gerada por unidade de área) do nível trófico atual após contabilizar a energia perdida devido à ingestão incompleta de alimentos, energia usada para a respiração e energia perdida como resíduo. A ingestão incompleta refere-se ao fato de alguns consumidores comerem apenas uma parte de seus alimentos. Por exemplo, quando um leão mata um antílope, ele come tudo, exceto a pele e os ossos. O leão não tem a medula óssea rica em energia dentro do osso, então o leão não usa todas as calorias que sua presa poderia fornecer.

Assim, a NPE mede a eficiência com que cada nível trófico usa e incorpora a energia de seus alimentos na biomassa para abastecer o próximo nível trófico. Em geral, animais de sangue frio (ectotérmicos), como invertebrados, peixes, anfíbios e répteis, usam menos da energia que obtêm para respiração e calor do que animais de sangue quente (endotérmicos), como pássaros e mamíferos. O calor extra gerado nos endotérmicos, embora seja uma vantagem em termos da atividade desses organismos em ambientes mais frios, é uma grande desvantagem em termos de NPE. Portanto, muitos endotérmicos precisam comer mais frequentemente do que os ectotérmicos para obter a energia de que precisam para sobreviver. Em geral, NPE para ectotérmicos é uma ordem de magnitude (10x) maior do que para endotérmicos. Por exemplo, o NPE para uma lagarta que come folhas foi medido em 18 por cento, enquanto o NPE para um esquilo que come bolotas pode ser tão baixo quanto 1,6 por cento.

A ineficiência do uso de energia por animais de sangue quente tem amplas implicações para o suprimento mundial de alimentos. É amplamente aceito que a indústria de carne usa grandes quantidades de safras para alimentar o gado e, como o NPE é baixo, grande parte da energia da alimentação animal é perdida. Por exemplo, custa cerca de 1 centavo para produzir 1000 calorias dietéticas (kcal) de milho ou soja, mas cerca de US $ 0,19 para produzir um número semelhante de calorias em criação de gado para consumo de carne. O mesmo conteúdo energético do leite do gado também é caro, cerca de US $ 0,16 por 1000 kcal. Grande parte dessa diferença se deve ao baixo NPE do gado. Assim, tem havido um movimento crescente em todo o mundo para promover o consumo de alimentos não à base de carne e não lácteos, de forma que menos energia seja desperdiçada na alimentação de animais para a indústria de carne.

Pirâmides Ecológicas

A estrutura dos ecossistemas pode ser visualizada com pirâmides ecológicas, que foram descritas pela primeira vez pelos estudos pioneiros de Charles Elton na década de 1920. Pirâmides ecológicas mostram as quantidades relativas de vários parâmetros (como número de organismos, energia e biomassa) ao longo dos níveis tróficos.

As pirâmides de números podem ser verticais ou invertidas, dependendo do ecossistema. Conforme mostrado na Figura 4, a pastagem típica durante o verão tem uma base de muitas plantas e o número de organismos diminui em cada nível trófico. No entanto, durante o verão em uma floresta temperada, a base da pirâmide consiste em poucas árvores em comparação com o número de consumidores primários, principalmente insetos. Como as árvores são grandes, elas têm grande capacidade fotossintética e dominam outras plantas neste ecossistema para obter luz solar. Mesmo em números menores, os produtores primários nas florestas ainda são capazes de suportar outros níveis tróficos.

Outra forma de visualizar a estrutura do ecossistema é com pirâmides de biomassa. Essa pirâmide mede a quantidade de energia convertida em tecido vivo nos diferentes níveis tróficos. Usando o exemplo do ecossistema de Silver Springs, esses dados exibem uma pirâmide de biomassa vertical (Figura 4), enquanto a pirâmide do exemplo do Canal da Mancha está invertida. As plantas (produtoras primárias) do ecossistema de Silver Springs constituem uma grande porcentagem da biomassa ali encontrada. No entanto, o fitoplâncton no exemplo do Canal da Mancha compõe menos biomassa do que os consumidores primários, o zooplâncton. Tal como acontece com as pirâmides de números invertidas, essa pirâmide invertida não se deve à falta de produtividade dos produtores primários, mas resulta da alta taxa de rotatividade do fitoplâncton. O fitoplâncton é consumido rapidamente pelos consumidores primários, minimizando assim sua biomassa em qualquer momento específico. No entanto, o fitoplâncton se reproduz rapidamente, portanto, eles são capazes de suportar o resto do ecossistema.

A modelagem do ecossistema em pirâmide também pode ser usada para mostrar o fluxo de energia através dos níveis tróficos. Observe que esses números são iguais aos usados ​​no diagrama de compartimento de fluxo de energia na Figura 2. As pirâmides de energia estão sempre na vertical e um ecossistema sem produtividade primária suficiente não pode ser suportado. Todos os tipos de pirâmides ecológicas são úteis para caracterizar a estrutura do ecossistema. No entanto, no estudo do fluxo de energia através do ecossistema, as pirâmides de energia são os modelos mais consistentes e representativos da estrutura do ecossistema (Figura 4).

Pergunta Prática

As pirâmides que representam o número de organismos ou biomassa podem ser invertidas, verticais ou mesmo em forma de diamante. As pirâmides de energia, no entanto, estão sempre na vertical. Porque?

[linhas da área de prática = ”2 ″] [/ área de prática]
[revelar-resposta q = ”924780 ″] Mostrar resposta [/ revelar-resposta]
[resposta oculta a = ”924780 ″] As pirâmides de organismos podem ser invertidas ou em forma de diamante porque um grande organismo, como uma árvore, pode sustentar muitos organismos menores. Da mesma forma, uma baixa biomassa de organismos pode sustentar uma biomassa maior no próximo nível trófico porque os organismos se reproduzem rapidamente e, portanto, fornecem nutrição contínua. As pirâmides de energia, no entanto, devem estar sempre verticais por causa das leis da termodinâmica. A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia não pode ser criada nem destruída; assim, cada nível trófico deve adquirir energia do nível trófico abaixo. A segunda lei da termodinâmica afirma que, durante a transferência de energia, alguma energia é sempre perdida na forma de calor; portanto, menos energia está disponível em cada nível trófico superior. [/ resposta oculta]

As pirâmides de organismos podem ser invertidas ou em forma de diamante porque um grande organismo, como uma árvore, pode sustentar muitos organismos menores. A segunda lei da termodinâmica afirma que, durante a transferência de energia, alguma energia é sempre perdida na forma de calor; assim, menos energia está disponível em cada nível trófico superior.

objetivos de aprendizado

Os organismos em um ecossistema adquirem energia de várias maneiras, que são transferidas entre os níveis tróficos à medida que a energia flui da base para o topo da teia alimentar, com energia sendo perdida em cada transferência. A eficiência dessas transferências é importante para a compreensão dos diferentes comportamentos e hábitos alimentares de animais de sangue quente e de sangue frio. A modelagem da energia do ecossistema é melhor realizada com pirâmides ecológicas de energia, embora outras pirâmides ecológicas forneçam outras informações vitais sobre a estrutura do ecossistema.


Assista o vídeo: Estrutura dos ecossistemas. fluxo de energia. Ecologia (Janeiro 2022).