Ecologia
Vimos que um ecossistema é composto por dois componentes básicos: o componente biótico (representado pelos seres vivos) e o componente abiótico (representado pelas condições químicas e físicas do meio).
Os representantes do componente biótico são divididos em dois grupos: os organismos autótrofos e heterótrofos. Os autótrofos realizam o processo de fotossíntese, captando a energia luminosa e utilizando-a para suprir suas necessidades energéticas. Já os heterótrofos são incapazes de produzir seu próprio alimento e assim utilizam o alimento sintetizado pelos autótrofos para sobreviverem.
Quanto aos componentes abióticos do ecossistema, destaca-se a radiação solar, de onde provém toda a energia necessária para a sobrevivência dos seres vivos. Essa energia é transferida de um organismo para outro por meio de um processo unilateral denominado fluxo de energia.
Não somente os organismos mas as populações e comunidades que estes formam requerem matéria para a sua construção e energia para a realização de suas atividades. Neste sentido, a importância dos fluxos da matéria e de energia baseia-se no fato de que os processos da comunidade biológica estão intimamente ligados ao meio abiótico.
Na Unidade I vimos que, de acordo com suas necessidades, os seres vivos são classificados em autótrofos (capazes de aproveitar substâncias inorgânicas para produzirem seu próprio alimento) ou heterótrofos (incapazes de produzir seu próprio alimento, necessitando obter moléculas orgânicas sintetizadas por outros seres vivos).
Como exemplos de seres autótrofos citamos as plantas, as algas e as bactérias fotossintetizantes (cuja fonte de energia é a luz solar) e quimiossintetizantes (cuja fonte de energia é a oxidação dos compostos inorgânicos). Esses são os únicos seres capazes de produzir compostos orgânicos a partir de compostos inorgânicos e, dessa forma, representam a fonte de alimento básica dos seres heterótrofos, incluindo animais, protozoários e fungos.
Os seres que se alimentam exclusivamente dos autótrofos são denominados de herbívoros, a exemplo das girafas. Já os seres que se alimentam de outros animais são denominados de carnívoros, como os felinos. Também existem aqueles que se alimentam tanto de organismos autótrofos quanto heterótrofos, e a esse grupo dá-se o nome de onívoros, a exemplo do homem.
Quando um ser heterótrofo alimenta-se de um autótrofo, parte da energia contida nas substâncias orgânicas é transferida e incorporada ao corpo desse ser e assim por diante, como veremos no próximo tópico. Dessa forma, nomeia-se de cadeia alimentar a série linear de organismos pela qual flui a energia captada originalmente pelos seres autótrofos (AMABIS e MARTHO, 2006).
Existem dois tipos de cadeias alimentares: aquelas que se iniciam com os produtores e passam pelos herbívoros e carnívoros, denominada de cadeia de pastoreio (ODUM, 2001), a exemplo da cadeia: fitoplâncton → zooplâncton → peixes; e aquelas que começam com plantas e animais mortos, seguindo pelos microrganismos e organismos detritívoros, denominada de cadeia detritívora (CALIJURI e CUNHA, 2013), a exemplo da cadeia: macrófitas → detritos → detritívoros (insetos).
Como trabalharemos com mais profundidade sobre a cadeia de pastoreio, considere o seguinte exemplo que ilustra a cadeia detritívora: a minhoca atua como consumidora primária ao alimentar-se de detritos vegetais; a galinha, ao se alimentar da minhoca, atua como consumidora secundária; já o ser humano, ao se alimentar da carne da galinha, atua como consumidor terciário.
Ao considerarmos a cadeia de pastoreio, os primeiros componentes são os organismos autótrofos, como as plantas. Eles são denominados de produtores visto que são os únicos seres capazes de captar a energia de fontes inorgânicas, utilizando-a para a síntese de matéria orgânica (AMABIS e MARTHO, 2006). Os outros seres, que se alimentam dos organismos autótrofos, são denominados de consumidores, visto que se utilizam da energia originalmente captada pelos produtores.
Denomina-se nível trófico cada nível alimentar de uma cadeia alimentar, segundo a ordem do fluxo de energia. E assim, os seres que se alimentam diretamente dos produtores, como os herbívoros, são denominados de consumidores primários. Já os organismos que se alimentam destes seres são denominados de consumidores secundários, e assim por diante.
Por fim, quando produtores e consumidores morrem, eles servem de alimento para fungos e bactérias. Estes organismos são denominados de decompositores e são seres capazes de decompor a matéria orgânica das partes mortas, resíduos e excreções de outros seres, para obter nutrientes e energia. A existência desses seres é muito importante pois, por meio deles, átomos que fizeram parte de moléculas orgânicas de um ser que morreu voltam ao ambiente, ou seja, são seres responsáveis pela ciclagem de nutrientes (AMABIS e MARTHO, 2006; CALIJURI e CUNHA, 2013).
A Tabela 2.1 a seguir resume o que foi discutido com relação aos níveis tróficos e a fonte de energia dos seres.
Tabela 2.1: Os principais níveis tróficos
Fonte: Sadava et al. (2009, p. 818).
Observe a Figura 2.1 a seguir que ilustra uma cadeia alimentar terrestre, contemplando os níveis tróficos: produtor, consumidor primário, consumidor secundário, consumidor terciário e decompositores.
Sabemos que as cadeias alimentares não ocorrem isoladamente nos ecossistemas, de modo que um mesmo organismo pode participar de diversas cadeias alimentares e até mesmo de níveis tróficos diferentes, a exemplo das espécies onívoras que podem consumir tanto vegetais como animais, ou ainda de certos predadores que atacam diversos tipos de presas. Esse tipo de relação é vantajosa visto que o organismo passa a ter várias opções de alimentos, o que leva o ecossistema a uma maior estabilidade. Esse conjunto de relações alimentares entre os diversos organismos de um ecossistema nomeia-se teias alimentares, conforme ilustra a Figura 1.2 a seguir.
De acordo com Pimm (1982), existem algumas regras que regem a estrutura de redes tróficas, a saber:
Considerando a cadeia alimentar fitoplâncton → krill → pinguim → foca, em qual nível trófico o pinguim situa-se?
Produtor.
Incorreta: pois o produtor é o fitoplâncton.
Consumidor primário.
Incorreta: pois consumidor primário é o krill.
Consumidor secundário.
Correta: consumidor secundário é o pinguim.
Consumidor terciário.
Incorreta: pois a foca é consumidor terciário.
Decompositor.
Incorreta: pois a cadeia alimentar não apresenta decompositor.
Caro(a) aluno(a), vimos que o Sol é o principal responsável pela manutenção da vida na Terra por dois motivos. Primeiramente porque as radiações solares são capazes de aquecer o solo, as massa de água e o ar, de modo a criar um ambiente favorável à vida. Em segundo, porque a luz solar captada pelos seres fotossintetizantes é transferida ao longo das cadeias alimentares, o que permite a existência de quase todos os ecossistemas da Terra (AMABIS e MARTHO, 2006).
A luz solar é uma fonte de energia externa, necessária para a manutenção dos ecossistemas. Neste sentido, a transformação da energia luminosa em energia química é a única forma de energia utilizável pelas células dos componentes de um ecossistema, incluindo os produtores, consumidores ou decompositores.
Apenas 5% da energia solar que chega à Terra é capturada pela fotossíntese. O restante pode irradiar de volta para a atmosfera como calor ou ser absorvido pela evaporação da água das plantas ou de outras superfícies.
Fonte: Sadava et al. (2009).
Sabemos que os vegetais fotossintetizantes absorvem a energia solar, utilizado-a na produção de substâncias orgânicas que ficam armazenadas como energia potencial química. Por sua vez, os animais herbívoros, que se alimentam dos vegetais, absorvem a energia neles contida por meio do processo respiratório. Esse herbívoro é devorado por um animal carnívoro, o qual, também pelo processo respiratório, absorve a energia anteriormente adquirida pela presa e assim por diante, de forma que a energia vai deslocando-se no interior do ecossistema, sendo perdida nas fezes, nos processos respiratórios ou na forma de calor.
Tal processo é ilustrado na Figura 2.3 a seguir, em que a transferência de energia nas cadeias alimentares ocorre unidirecionalmente, tendo início com a captação da energia luminosa e terminando com a ação dos decompositores.
A fotossíntese é o único processo de entrada de energia em um ecossistema. Sua reação geral é descrita da seguinte forma: \(6\: CO_{2} + 6\: H_{2}O + energia\: solar → C_{6}H_{12}O_{6} + 6\: O_{2.a}\).
Fonte: A autora.
Perceba que tanto produtores como consumidores e decompositores precisam de energia para realizarem suas funções vitais como: crescimento, locomoção e reprodução. Dessa forma, eles utilizam a energia química dos compostos orgânicos armazenados, como a glicose no processo de respiração aeróbia. Esta, de forma simplificada, pode ser considerada como o oposto do processo de fotossíntese, em que compostos orgânicos são convertidos em gás carbônico e em água, na presença de oxigênio, liberando energia (CALIJURI e CUNHA, 2013).
De acordo com os referidos autores, a energia adquirida por um organismo pode seguir diversos caminhos. A maior parte é destinada à manutenção das funções vitais, denominada de energia respirada, a qual normalmente é perdida na forma de calor. Já a energia digerida e assimilada pelo organismo é denominada de energia assimilada, a qual será utilizada para o crescimento e reprodução.
Por meio da Figura 2.3, observe que a energia, bem como a matéria presente nos produtores, é transferida para os consumidores primários e destes para os consumidores secundários, e assim por diante. Logo, a quantidade de energia presente em cada nível trófico vai diminuindo com sua transferência ao nível seguinte, isso porque os seres vivos consomem parte da energia para manutenção de sua própria vida. No entanto, “[...] enquanto a quantidade de energia declina a cada transferência, aumenta a qualidade ou a concentração da energia que é transferida” (ODUM e BARRETT, 2007, p. 108).
Perceba que a Figura 2.3 ilustra também a dissipação da energia. E, de acordo com Townsend et al. (2010), uma vez transformada em calor, a energia não pode mais ser utilizada pelos organismos vivos para realizar trabalho ou para a síntese da biomassa. Assim, o calor perdido para a atmosfera não pode ser reciclado, de modo que a vida na Terra só é possível dada a existência da energia solar que é disponibilizada todos os dias.
O processo de transferência de energia segue as leis da termodinâmica e à medida que a energia vai sendo transferida ela vai se tornando menos utilizável. A primeira lei da termodinâmica, também denominada de lei da conservação de energia, estabelece que a energia não pode ser criada ou destruída, mas apenas transformada de uma forma para outra. Exemplificando: a luz pode ser transformada em calor, trabalho ou energia, mas nenhuma dessas formas pode ser destruída.
Já a segunda lei da termodinâmica, também conhecida como lei da entropia, explica que o processo de transformação da energia dá-se a partir de uma forma mais concentrada para outra mais dispersa (desorganizada). Exemplificando: o calor de um objeto quente tende a se dispersar nos arredores mais frios.
Dessa forma, em outras palavras, em um ecossistema, de acordo com a primeira lei da termodinâmica, a soma total de energia é constante, cessadas as entradas e saídas. Por sua vez, de acordo com a segunda lei da termodinâmica, a energia utilizável vai sendo reduzida após cada transformação, tornando-se inaproveitável quando atinge a forma de calor e tendendo a um estado de equilíbrio com máxima entropia, ou seja, desorganizado. Assim, perceba que os organismos e os ecossistemas são sistemas termodinâmicos abertos, em estado de não-equilíbrio, capazes de trocar energia e matéria com o ambiente, visando reduzir a entropia interna e aumentar a entropia externa.
De acordo com Ricklefs (2010), ao considerarmos as populações de comunidades como sistemas transformadores de energia, estaremos aplicando a primeira e a segunda lei da termodinâmica. A transformação de energia mais fundamental é a conversão da energia da luz em energia química pela fotossíntese. Outras transformações de energia acontecem à medida que os herbívoros convergem a energia em compostos de carbono nas plantas e outros autótrofos em energia que eles podem usar para seu próprio metabolismo, atividade, crescimento e reprodução. Da mesma forma, os carnívoros utilizam a energia dos compostos de carbono contidos em suas presas.
Quanto menos níveis tróficos uma cadeia alimentar apresenta, menor é a dissipação energética ao longo dela, uma vez que as maiores perdas energéticas ocorrem durante a transferência de matéria orgânica de um nível trófico para outro. Assim, embora nem sempre adequado ao paladar humano, utilizar diretamente os vegetais como alimento seria uma forma de evitar a perda energética que ocorre na transferência para o nível dos herbívoros.
Fonte: Amabis e Martho (2006).
No contexto da eficiência de transferência de energia, a Figura 2.4 a seguir ilustra um modelo de fluxo de energia através dos ecossistemas, demonstrando que a energia ingerida pelos organismos em cada nível trófico é reduzida pela respiração e excreção, resultando em menos energia disponível para o consumo no próximo nível trófico.
Dessa forma, a energia potencial é perdida na forma de calor a cada transferência de alimento, estando aproximadamente na ordem de 80 a 90%, de acordo com Odum e Barrett (2007). Para compreender o porquê de as eficiências ecológicas serem tão baixas, quando transferidas, é necessário compreendermos como os consumidores fazem uso da energia do alimento que consomem.
Segundo Ricklefs (2010), um organismo, ao ingerir um determinado alimento, utiliza a energia nele contida para a realização de suas atividades. Muitos componentes dos alimentos não são facilmente digeríveis, a exemplo de penas, ossos de animais, bem como materiais estruturais como celulose e lignina. Assim, essas substâncias podem ser defecadas ou regurgitadas e a energia que contêm é denominada de energia egestada (EE). O que o organismo digere e absorve constitui-se em energia assimilada (EA). Dessa forma, a energia assimilada é resultado da energia ingestada (EI) menos a energia egestada, ou seja, EA = EI - EE. A parte dessa energia assimilada utilizada para atender às necessidades metabólicas é denominada de energia respirada. Ainda, os animais excretam uma outra parte da energia assimilada na forma de rejeitos orgânicos nitrogenadas, produzidos quando a dieta contém excesso de nitrogênio. A parte de energia assimilada excretada é denominada de energia excretada. A energia assimilada retida pelo organismo torna-se disponível para crescimento e reprodução. Já a nova biomassa produzida pelo crescimento e reprodução torna-se disponível para alimentar os organismos do próximo nível trófico. Assim, produção = energia assimilada - respiração - excreção (RICKLEFS, 2010).
A Tabela 2.2 a seguir fornece aproximações da proporção de energia assimilada a cada nível trófico que é desviada para a produção ou respiração.
Tabela 2.2: Resumo da produção, respiração, eficiências de utilização e eficiências de assimilação expressas como porcentagem por nível trófico
Fonte: O autor, adaptado de Odum e Barrett (2007, p. 110).
Segundo Ricklefs (2010), o fluxo de energia por meio de um ecossistema bem como a eficiência de sua transferência são capazes de descrever alguns aspectos da estrutura de um determinado ecossistema, como: o número de níveis tróficos, a importância relativa de detritívoros e herbívoros, os valores de equilíbrio de biomassa e detritos acumulados e as taxas de troca de matéria orgânica.
Caro(a) aluno(a), compreender a produção e o consumo da matéria orgânica e da ciclagem de nutrientes é muito importante no contexto do metabolismo dos ecossistemas. De acordo com Godefroid (2016), o estudo da produção biológica fornece a extensão e o sentido do fluxo de energia no ecossistema, de modo a refletir a disponibilidade de energia em um determinado nível trófico.
Assim, no processo de produção, é importante distinguirmos alguns termos: produção primária, produção primária bruta (PPB), produção primária líquida (PPL), produção líquida da comunidade e produção secundária (BEGON et al., 2007; ODUM e BARRETT, 2007; TOWNSEND et al.,2010; GODEFROID, 2016):
Neste contexto, a Figura 2.5 a seguir ilustra como a produção primária bruta pode ser particionada em respiração e produção primária líquida.
Por meio da Figura 2.5 é perceptível que a produção primária bruta representa a energia total assimilada pela fotossíntese, de modo que as plantas utilizam parte dessa energia para se manterem,, bem como manterem suas atividades metabólicas por meio da respiração. Como consequência, a biomassa das plantas contém muito menos energia do que a energia total assimilada. A energia acumulada na biomassa das plantas, disponível aos consumidores, é denominada de produção primária líquida.
Alguns fatores podem influenciar a produção primária nos ecossistemas, de modo que a combinação favorável de intensidade solar, temperaturas altas, chuvas abundantes e muitos nutrientes resulta em alta produtividade, ao contrário do que se observa nos ecossistemas temperados e polares (RICKLEFS, 2010).
Nos ecossistemas, a avaliação da produtividade leva em conta a natureza e a grandeza dos prejuízos energéticos resultantes de perturbações (clima, colheita, poluição etc.) e dos subsídios de energia, que contribuem com o processo produtivo ao reduzirem a perda de calor respiratório utilizado na manutenção da estrutura biológica (ODUM, 1988; GODEFROID, 2016).
Assim, segundo Odum e Barrett (2007), as altas taxas de produção nos ecossistemas, sejam elas naturais ou produzidas pelo homem, ocorrem quando os fatores físicos são favoráveis, principalmente quando os subsídios de energia de fora do sistema aumentam o crescimento ou as taxas de reprodução dentro do sistema, a exemplo dos fertilizantes.
Godefroid (2016) cita que a produção bruta nos sistemas produzidos pelo homem não é maior do que a dos sistemas naturais. A produção pode ser aumentada em áreas com baixa incidência de água e de nutrientes, se essas substâncias forem disponibilizadas. Porém, o aumento na produção primária líquida e na produção primária da comunidade é obtido por meio de subsídios de energia que aumentam a safra ao diminuírem os consumos autotróficos e heterotróficos.
No entanto, determinados fatores nem sempre atuam da mesma forma, ou seja, sob certas condições do ambiente ou em um baixo nível de intensidade, determinado fator pode atuar como subsídio de energia, mas esse mesmo fator também pode levar a prejuízos energéticos, bem como reduzir a produção, se as condições do ambiente forem diferentes ou se existir um nível maior de entrada (ODUM, 1988).
Os seres humanos, juntamente com seus animais domésticos, consomem mais de 6% da produção líquida da biosfera, além de grandes quantidades da produção bruta na forma de fibras. Assim, o homem é o grande interessado no aumento da produtividade no planeta, a qual pode ser obtida por meio da irrigação, ampliação da área agrícola, reciclagem dos elementos nutritivos do fundo dos mares e melhoria no rendimento das culturas.
Fonte: Braga et al. (2005).
Caro(a) aluno(a), as atividades humanas são capazes de modificar a forma como a energia flui e é distribuída. Assim, segundo Sadava et al. (2009), algumas atividades como a conversão de florestas em pastagens e o desenvolvimento urbano podem diminuir a produtividade primária líquida global, enquanto que outras atividades, como a agricultura intensiva, podem aumentá-la.
De acordo com Ricklefs (2010), um jovem ecólogo aquático chamado Raymond Lindeman trouxe o conceito de ecossistema como sendo um sistema transformador de energia. Lindeman também visualizou uma pirâmide de energia dentro do ecossistema (Figura 2.6), com menos energia atingindo cada nível trófico anterior, isso porque a energia era perdida por causa do trabalho realizado pelos organismos bem como pela ineficiência das transformações das energias biológicas.
Vimos que as teias alimentares podem ser ilustradas por esquemas que simplificam a representação dessas interações. Esses esquemas podem ser de três tipos: pirâmides ecológicas de números, biomassa ou energia. O primeiro nível é formado pelos organismos produtores, constituindo a base da pirâmide, e os níveis sucessivos formam camadas até o ápice, como demonstrado na Figura 2.7 a seguir:
Assim, perceba que as pirâmides ecológicas representam graficamente o fluxo de energia e matéria entre os níveis tróficos. Por meio da pirâmide de número é possível representar o número de indivíduos por unidade de área nos diferentes níveis tróficos existentes, porém ela não é considerada muito instrutiva uma vez que fatores como geometria, cadeia alimentar e tamanho não são revelados. A pirâmide de biomassa representa a quantidade de biomassa ou valor calórico em cada nível trófico, porém faculta um quadro grosseiro pois não considera uma taxa de renovação e acúmulo ao longo do tempo. Já a pirâmide de energia simboliza a quantidade de energia existente nas inter-relações tróficas de uma comunidade, demonstrando a representação dos ritmos de passagem da massa de alimento na cadeia alimentar. A pirâmide de energia é considerada o melhor cenário representativo entre as 3 pirâmides existentes.
Considerando a pirâmide ecológica a seguir, assinale a alternativa correta que indica o tipo de pirâmide e o aumento que ela representa.
De energia - aumento do teor de calorias, pela maior velocidade de ciclagem.
Incorreta: pois é uma pirâmide de números.
De biomassa - aumento do peso seco em função do tamanho dos organismos.
Incorreta: pois é uma pirâmide de números.
De números - aumento da quantidade de organismos, sem considerar a biomassa.
Correta: uma vez que é uma pirâmide de número, que representa a quantidade de organismos, sem considerar a biomassa.
De energia - aumento das populações de consumidores primários e secundários.
Incorreta: pois é uma pirâmide de números.
De números - aumento da quantidade de organismos, considerando a biomassa.
Incorreta: pois é uma pirâmide de número, que representa a quantidade de organismos sem considerar a biomassa.
A matéria, ao contrário da energia, tem fluxo cíclico, podendo ser reaproveitada repetidamente em cada nível trófico por causa das mudanças que sofre na forma de suas moléculas. Assim, segundo Ricklefs (2010), a matéria cicla por meio de um ecossistema após ter sido assimilada pelas plantas em formas inorgânicas e ser convertida em biomassa. Parte da matéria é passada para a cadeia alimentar, mas toda ela retorna a formas inorgânicas pelo processo de decomposição.
Dos 103 elementos químicos existentes, sabe-se que 30 a 40 são essenciais à vida, passam pelos organismos vivos e retornam ao ambiente natural. Esses elementos são classificados em 2 grandes grupos: os macronutrientes como carbono \((C)\), hidrogênio \((H)\), oxigênio \((O_{2})\), nitrogênio \((N)\), fósforo \((P)\) e enxofre \((S)\); e os micronutrientes como alumínio \((Al)\), boro \((B)\), cromo \((Cr)\), zinco \((Zn)\) e cobalto \((Co)\) (PINTO-COELHO, 2000; BRAGA, 2005).
Neste sentido, de acordo com Calijuri e Cunha (2013), o ciclo da matéria é composto por quatro etapas essenciais. São elas:
Caro(a) aluno(a), perceba que os nutrientes são ganhos e perdidos pelas comunidades de diversas formas. A Figura 2.8 a seguir ilustra os componentes dos estoques de nutrientes. Observe que as comunidades aquáticas e terrestres estão ligadas por fluxo de corrente, que é a saída principal do sistema terrestre e entrada principal do sistema aquático.
Por meio da Figura 2.8, observe que o intemperismo da rocha matriz e do solo, por meio de processos físicos e químicos, representa a fonte de nutrientes, como cálcio, ferro, magnésio, fósforo e potássio, que podem ser absorvido pelas raízes das plantas. O dióxido de carbono e o nitrogênio gasoso atmosférico são as principais fontes do conteúdo desses elementos em comunidades terrestres, de modo que outros nutrientes provenientes da atmosfera tornam-se disponíveis, como precipitação seca ou, na chuva, neve e neblina. Os nutrientes são perdidos novamente pela liberação para a atmosfera ou na água que alimenta riachos e rios. Os sistemas aquáticos obtêm nutrientes do fluxo de correntes, da descarga de água subterrânea e da atmosfera por difusão por meio de suas superfícies (BEGON et al., 2007; TOWNSEND et al., 2010).
Dessa forma, caro(a) aluno(a), compreender como os nutrientes ciclam entre os componentes do ecossistema é muito importante para entendermos como se dá a regulação da estrutura e do funcionamento do ecossistema. Os ciclos de grande importância ecológica são da água, carbono, oxigênio, nitrogênio, fósforo e enxofre. Esses ciclos recebem o nome de ciclos biogeoquímicos, uma vez que “[...] envolvem os seres vivos (bio) na transformação da matéria, cujas fontes envolvem o meio terrestre (geo) e os elementos químicos (químico)” (CALIJURI e CUNHA, 2013, p. 140). Assim, a biogeoquímica é uma ciência que estuda a circulação da matéria entre os componentes bióticos e abióticos da biosfera.
O ciclos biogeoquímicos podem ser classificados em três tipos, dependendo da natureza do reservatório abiótico (PINTO-COELHO, 2000):
Os ciclos gasosos tendem a ser mais autorreguláveis do que os ciclos sedimentares. Isso porque, nestes últimos, a imobilidade da grande maioria dos elementos na crosta terrestre faz com que o ciclo fique mais suscetível às alterações por intempéries, bem como pela ação do homem.
Veremos com mais profundidade cada um desses ciclos biogeoquímicos a seguir.
A água é uma substância constituída por dois átomos de hidrogênio (H) e um átomo de oxigênio (O). É considerada o principal componente dos organismos dos seres vivos, ocupando de 70% a 90% de seu peso. A depender da região do planeta, a quantidade de água presente pode variar, obrigando os seres vivos a desenvolverem características específicas e se adaptarem ao meio, o que faz da água o grande regulador do meio ambiente, a qual suas características (pH, movimentação, turbidez, cor, temperatura, calor específico) condicionam os seres presentes em cada região (BRAGA, 2005).
O ciclo deste elemento vital à vida dos seres vivos é movido principalmente pelos processos físicos de evaporação, precipitação e transpiração, podendo ser dividido em dois: pequeno ciclo e grande ciclo, conforme ilustra a Figura 2.9 a seguir.
O pequeno ciclo não é considerado um ciclo biogeoquímico pois dele não participam os seres vivos. A energia solar garante a evaporação da água presente no planeta e a principal fonte vem dos oceanos, porém, neste ambiente, a evaporação excede a precipitação. O contrário ocorre nos continentes, o que nos leva a concluir que grande parte das chuvas nos continentes são provenientes de águas marinhas. Na terra a água encontra-se armazenada na forma de lagos, lagoas, aquíferos subterrâneos, gelo e em canais de rios retornando aos oceanos (BRAGA, 2005; CALIJURI e CUNHA, 2013).
Já o grande ciclo da água tem participação dos seres vivos. Começando pelos produtores, as plantas absorvem a água das precipitações pluviais infiltradas no solo. Essa água segue para dentro da planta e retorna para atmosfera pelo processo de transpiração. Parte dessa água precipitada também é interceptada pelas folhas das plantas e evapora, voltando para a atmosfera. Áreas onde não são encontradas cobertura vegetal do solo para interceptação da energia cinética das gotas de chuva têm sérios problemas de erosão e perda excessiva de sedimentos e nutrientes (AMABIS e MARTHO, 2006; CALIJURI e CUNHA, 2013).
A água, como um solvente universal, participa de diversos processos do metabolismo animal. Os animais ao ingerirem as águas dos rios e lagos, assim como nos alimentos, também a liberam de volta para a atmosfera por meio da transpiração e pela excreção de suas fezes. Além disso, parte dessa água ingerida fica incorporada nos tecidos até que eles morram e essa água seja devolvida para o meio ambiente por meio do processo de decomposição.
Caro(a) aluno(a), atente-se para o fato de que o homem vem interferindo de forma significativa no ciclo hidrológico, por meio do desmatamento e da pavimentação do solo, o que impede a infiltração de água e o reabastecimento dos aquíferos, gerando sérios problemas de enchentes e danos físicos nas cidades. Segundo Calijuri e Cunha (2013), as atividades antrópicas alteram os ciclos biogeoquímicos, tornando-os imperfeitos ou acíclicos, uma vez que os recursos são retirados mais rapidamente do meio ambiente, ultrapassando a velocidade de reposição e alterando a sua qualidade.
Sobre o ciclo da água, assinale a alternativa que apresenta seus dois fenômenos básicos:
Precipitação e percolação.
Incorreta: pois os dois fenômenos básicos do ciclo da água são evaporação e precipitação.
Evaporação e precipitação.
Correta: uma vez que os dois fenômenos básicos do ciclo da água são evaporação e precipitação.
Evaporação e infiltração.
Incorreta: pois os dois fenômenos básicos do ciclo da água são evaporação e precipitação.
Evaporação e transpiração.
Incorreta: pois os dois fenômenos básicos do ciclo da água são evaporação e precipitação.
Precipitação e infiltração.
Incorreta: pois os dois fenômenos básicos do ciclo da água são evaporação e precipitação.
O ciclo de carbono é tão importante quanto o ciclo hidrológico, uma vez que o carbono é considerado um elemento básico da vida. Apesar de seu ciclo ser considerado pequeno, o seu maior reservatório é a atmosfera, podendo modificar o tempo meteorológico e o clima, principalmente após perturbações geradas pelo homem (ODUM e BARRET, 2007).
Via de regra, o carbono estabelece seu ciclo na passagem de seus átomos que constituem o dióxido de carbono \((CO_{2})\) para as moléculas que constituem substâncias orgânicas dos seres vivos (lipídios, proteínas etc.) e vice-versa. Os organismos autotróficos, por exemplo, utilizam o \(CO_{2}\) como fonte de carbono para realizarem a fotossíntese e produzirem glicose \((C_{6}H_{12}O_{6})\). Esses mesmos organismos produtores, bem como os consumidores e decompositores, devolvem parte desses carbonos para a atmosfera pelo processo de respiração, e outra parte fica retida em sua biomassa (AMABIS e MARTHO, 2006; CALIJURI e CUNHA, 2013).
Dessa segunda parte, a que fica retida na biomassa dos produtores, podem existir dois caminhos. O primeiro é ser transferido aos animais que se alimentam dos organismos produtores, os consumidores herbívoros. E o segundo caminho é voltar à atmosfera com a morte dos organismos produtores e a decomposição de sua matéria pelos decompositores (AMABIS e MARTHO, 2006).
De acordo com Calijuri e Cunha (2013), no ambiente aquático o \(CO_{2}\) atmosférico tem a capacidade de se difundir na água e formar o ácido carbônico \((H_{2}CO_{3})\). Na sequência, ocorre a dissociação em íons H+, formando o bicarbonato \((HCO_{3-})\) e carbonato \((CO_{3^{2-}})\). A equação a seguir demonstra essa reação, que pode ser reversível, ocorrendo no sentido do componente mais concentrado para o menos concentrado:
\[CO_{2} + H_{2}O ↔ H_{2}CO_{3} ↔ H^{+} + HCO_{3-} ↔ 2H^{+} + CO_{3^{2-}}\]
A reação anterior indica que quanto maior a concentração de \(CO_{2}\) na atmosfera, mais ele será absorvido pelos oceanos e maior será a concentração de carbono dissolvido na água.
As principais formas de interferência do homem no ciclo do carbono são verificadas pela queima de matéria orgânica, como exemplo os combustíveis fósseis, pela queima de florestas, atividades industriais e por veículos movidos por motores com explosão (PINTO-COELHO, 2000). Tais interferências contribuem para o aumento da concentração de dióxido de carbono na atmosfera e alteram o clima.
No ciclo do nitrogênio predomina-se a fase atmosférica, em que o gás nitrogênio \((N_{2})\) compreende aproximadamente 79% do volume dos gases presentes. Na atmosfera ele encontra-se na forma de \(N_{2}\) gasoso, porém, na grande maioria dos seres vivos, inclusive os seres humanos, essa forma molecular é tóxica, tornando-se inutilizável (AMABIS e MARTHO, 2006).
Processos como a desnitrificação e a fixação demonstram a importância dos microrganismos no ciclo do nitrogênio, uma vez que estes processos são realizados por eles. Algumas bactérias possuem propriedades capazes de captar o nitrogênio gasoso da atmosfera e convertê-lo para uma forma que pode ser usada por alguns seres vivos. Esses microrganismos estão presentes no solo e nas raízes de plantas leguminosas, denominados como bactérias Rhizobium. Elas transformam o \(N_{2}\) gasoso em amônia \((NH_{3})\) para ser usado pelas plantas e reduzir o uso de fertilizantes (CALIJURI e CUNHA, 2013; TOWNSEND et al., 2010).
O material orgânico encontrado no solo possui nitrogênio em seus aminoácidos, proteínas e ácidos nucleicos, que, ao serem decompostos, sofrem o processo de amonificação, onde o gás amônia \((NH_{3})\) é liberado e facilmente dissolve-se nas águas superficiais, formando o íon amônio \((NH_{4^{+}})\). Embora algumas plantas consigam aproveitar a amônia, o nitrato \((NO_{3^{-}})\) é o composto nitrogenado mais facilmente assimilado por elas (AMABIS e MARTHO, 2006; CALIJURI e CUNHA, 2013).
O processo de transformação de \(NH_{3}\) para \(NO_{3^{-}}\) é conhecido como nitrificação e ocorre devido a dois grupos de bactérias quimiossintetizantes. O primeiro grupo é do gênero Nitrossomonas, responsável pela oxidação da amônia, transformando-a em nitrito \((NO_{2^{-}})\). A energia liberada por essa reação é utilizada pela bactéria em seu organismo e é demonstrada a seguir:
\[2\: NH_{3} + 3\: O_{2} → 2\: NO_{2^{-}} + 2\: H_{2}O + 2\: H^{+} +\: energia\]
Como o nitrito é tóxico para a utilização das plantas, um segundo gênero de bactérias, Nitrobacter, transforma o nitrito em nitrato pela reação que segue e também libera energia para utilização das bactérias:
\[2\: NO_{2^{-}} + 0_{2} → 2\: NO_{3^{-}} +\: energia\]
Por fim, como fechamento do ciclo, o nitrato é transformado em nitrogênio gasoso e devolvido para a atmosfera, por meio do processo chamado de desnitrificação. Essa reação, demonstrada a seguir, ocorre em solos poucos aerados (respiração anaeróbia), e as bactérias responsáveis por essa conversão são desnitrificantes do gênero Pseudomonas, Bacillus e Achomobacter:
\[5\: C_{6}H_{12}0_{6} + 24\: NO_{3^{-}} + 24\: H^{+} → 30\: CO_{2} +42\: H_{2}O + 12\: N_{2} +\: energia\]
Sabe-se que as plantas podem obter do solo e da água o nitrogênio utilizado pelos organismos, sob a forma de nitrato. Assinale a alternativa que diz respeito à forma como o nitrato é produzido:
Animais em decomposição.
Incorreta: pois o nitrato é produzido pelas bactérias nitrificantes.
Organismos decompositores.
Incorreta: pois o nitrato é produzido pelas bactérias nitrificantes.
Plantas em putrefação.
Incorreta: pois o nitrato é produzido pelas bactérias nitrificantes.
Decomposição das rochas pela ação das intempéries.
Incorreta: pois o nitrato é produzido pelas bactérias nitrificantes.
Bactérias nitrificantes.
Correta: uma vez que o nitrato é produzido pelas bactérias nitrificantes do gênero Nitrobacter.
O ciclo do oxigênio também está presente de forma predominante na atmosfera. Trata-se de um ciclo complexo onde átomos de oxigênio \((O)\) são utilizados pelos seres vivos e liberados na forma de dióxido de carbono \((CO_{2})\), gás oxigênio \((O2)\) e água \((H_{2}O)\).
O processo fotossintético dos organismos autótrofos utiliza o \(CO_{2}\) atmosférico e seus átomos de oxigênio passam a fazer parte da matéria orgânica das plantas, sendo liberados na forma de gás oxigênio para a atmosfera. Por sua vez os seres vivos respiram esse oxigênio gasoso e, juntamente com o processo de decomposição, devolvem os átomos de oxigênio para a atmosfera na forma de \(CO_{2}\) e moléculas de água (AMABIS e MARTHO, 2006).
Essas três principais fontes inorgânicas de átomos de oxigênio para os seres vivos \((CO_{2}, O_{2} e\: H_{2}O)\), permanecem incessantemente trocando átomos entre si por processos metabólicos.
Os principais reservatórios de fósforo estão presentes nos ambientes aquáticos, rochas e solos, com uma tendência geral do mineral fósforo ser transportado da terra para os oceanos, o que o faz ser classificado como um ciclo sedimentar (TOWNSEND et al., 2010).
O ciclo do fósforo é considerado mais simples que o de carbono e de nitrogênio, uma vez que são poucos os compostos gasosos de fósforo e menor o número de formas químicas existentes, sendo a mais importante para os seres vivos o íon fosfato \((PO_{4^{3-}})\) (ODUM e BARRET, 2007; AMABIS e MARTHO, 2006).
O processo de eutrofização, que ocorre nos corpos d’água, é caracterizado pela proliferação desequilibrada de algas que muitas vezes manisfesta-se devido a altas concentrações de fósforo. As ciclagens de fósforo nos ecossistemas são afetadas pelas seguintes taxas metabólicas (PINTO-COELHO, 2000):
a) Absorção de fósforos pelos vegetais.
b) Consumo de vegetais pelos herbívoros.
c) Excreção de fósforo pelos heterótrofos mais abundantes.
d) Remineralização de fósforo pelos microrganismos decompositores.
Nos seres vivos o fósforo está presente principalmente nas moléculas de RNA e DNA, dentes e ossos. Na produtividade primária ele é considerado um fator limitante, pois é encontrado em pequenas quantidades para utilização das plantas, que o absorvem na forma de fosfato dissolvido na água do solo. O fósforo retorna ao solo e à água após a decomposição da matéria orgânica. Assim, podemos dizer que este ciclo do fósforo é curto, chamado de ciclo de tempo ecológico, e está relacionado com produtores, consumidores e decompositores da cadeia alimentar (AMABIS e MARTHO, 2006; CALIJURI e CUNHA, 2013).
Porém, existe um ciclo muito mais longo do fósforo, conhecido como ciclo de tempo geológico. Após a decomposição da matéria orgânica, o fósforo que retorna ao solo é levado pela chuva até os rios e oceanos e se incorpora nas rochas. Com o passar de muitos anos, devido aos fatores de intemperismo e formação do solo, é liberado na forma de fosfato, iniciando novamente seu ciclo (AMABIS e MARTHO, 2006; CALIJURI e CUNHA, 2013).
Os principais reservatórios de enxofre são o subsolo, rochas e minerais, e seu ciclo é uma das peças-chave nos padrões gerais de produção e decomposição. Algumas vezes é possível que o ciclo de um elemento influencie a ciclagem de outro. A exemplo disso podemos citar a formação de sulfetos de ferro nos sedimentos, convertendo o fósforo de seu modo insolúvel para solúvel, como descrito na equação a seguir (ODUM e BARRET, 2007; PINTO-COELHO, 2000):
\[H_{2}S ↔ 2H^{+} + S^{-2}\]
\[S^{-2} + FePO_{4} ↔ FeS + FeS_{2} + PO_{4^{3+}}\]
São três os processos biogeoquímicos que liberam enxofre para a atmosfera: atividades vulcânicas (menor importância); formação de aerossóis de borrifos do mar; e respiração anaeróbia das bactérias redutoras de sulfato. Essas bactérias liberam compostos reduzidos de enxofre como o sulfeto de hidrogênio \((H_{2}S)\), porém, assim como o nitrato e o fosfato, é o sulfato \((SO_{4})\) a principal forma disponível e utilizada pelos seres autótrofos, e ele, assim como o dióxido de enxofre \((SO_{2})\), é formado na atmosfera por uma reação que oxida o enxofre do \(H_{2}S\), e retorna para a terra na forma de gotículas de ácido sulfúrico \((H_{2}SO_{4})\), conhecido também como chuva ácida (ODUM e BARRET, 2007; TOWNSEND et al., 2010).
O sulfato utilizado pelos produtores é reduzido à sua forma orgânica e, após serem excretados pelos animais ou sofrerem decomposição de suas partes mortais assim como das parte mortais dos vegetais, é oxidado para sulfito \((SO_{3^{2-}})\) e para sulfato \((SO_{4^{2-}})\) novamente, como demonstrado nas equações que seguem (CALIJURI e CUNHA, 2013):
\[SO_{4^{2-}} → S orgânico\]
\[S orgânico → SO_{3^{2-}} → SO_{4^{2-}}\]
Caro(a) aluno(a), perceba que a ação antrópica também interfere no ciclo do enxofre, por meio de grandes quantidade de dióxido de enxofre que são liberados nos processos de queima de carvão e de óleo de combustível. O dióxido de enxofre é prejudicial à saúde dos seres vivos e, além disso, pode provocar, como citado anteriormente, a chamada “chuva ácida”, bem como o smog industrial.
Caro(a) aluno(a), além dos elementos comuns envolvidos nos ciclos biogeoquímicos que estudamos, alguns elementos raros também são ecologicamente importantes. Sadava et al. (2009) destacam alguns deles:
Perceba que iodo, cobalto e selênio são importantes aos seres vivos, pois regulam a produção e o funcionamento de agentes metabólicos, incluindo hormônios, vitaminas e enzimas que contêm zinco e cobre (SADAVA et al., 2009).
Editora: Artmed
Autor: Colin R. Townsend, Michael Begon e John L. Harper
ISBN: 9788536321684
Comentário: O livro reúne os fundamentos de ecologia, sendo dividido em quatro partes: a primeira trata da introdução sobre a ecologia; a segunda parte trata das condições e recursos; a terceira parte trata dos indivíduos, populações, comunidades e ecossistemas; e, por fim, a quarta parte trata de temas aplicados em ecologia, como a sustentabilidade, degradação de habitats e conservação.
Editora: Intersaberes
Autor: Rodrigo Santiago Godefroid
ISBN: 9788559722208
Comentário: O livro apresenta a evolução do conceito de ecossistemas e por que eles são importantes para a manutenção da vida na Terra, bem como discute como é o funcionamento dos ecossistemas, quais são seus principais componentes e o que nós podemos fazer para manter sua estabilidade e diversidade.