ENERGIA NOS SISTEMAS ECOLÓGICOS

1)Energia: capacidade de realização de trabalho.

2)Leis da Termodinâmica:1ª Lei ou da conservação da energia: a energia pode ser

transformada de um tipo em outro, mas nunca ser criada ou destruída.Ex.: luz calor açúcar movimento muscular...

2ª Lei ou da entropia: toda transformação energética só ocorrerá com “consumo” de uma parte da energia inicial, e nunca

espontaneamente nem 100% eficiente.Ex.: corpo quente resfriamento perda de calor para o ambiente.*Entropia: Em = em + trope = transformação: medida da energia não-disponível num sistema. Também indica o índice geral da desordem

associada à degradação da energia.

• ♦Característica termodinâmica essencial dos organismos, ecossistemas e da biosfera: condição de baixa entropia ou capacidade de criar e manter alto grau de ordem interna.

• Também é entendido como: pequena quantidade de desordem interna ou de energia não-disponível.

• ♦Baixa entropia conseguida por contínua e eficiente dissipação de energia de alta utilidade (luz ou alimento) para outra de baixa utilidade (calor) = respiração total da comunidade (expulsão contínua da desordem).

• ♦Ecossistemas e organismos = sistemas termodinâmicos abertos.

• ♦Trocas contínuas de matéria e energia com o ambiente diminuição da entropia interna aumento da entropia externa.

• *AMBIENTE ENERGÉTICO:• ♦Organismos na superfície terrestre recebem

energia 2 tipos:• 1)Radiação Solar;• 2)Radiação Térmica de superfícies próximas;• ♦Os 2 tipos contribuem para temperatura global,

evaporação, movimento de ar e água;• *Energia aproveitável:• ♦luz solar que atinge a biosfera = 2gcal/cm2/min

= Constante Solar.• ♦Após passar pela atmosfera: no máximo 67% =

1,3gcal/cm2/min (meio dia, verão, céu limpo) =(2,05 x10-6 hp).

Entrada de luz solar camada autotrófica (1 dia): gcal/cm2/min (Kcal/m2/h)

Mínimo Média Máximo

100 (1.000) 300 (3.000) a 400 (4.000)

800 (8.000)

• *Fluxo de luz/calor (energia) diário em ecossistemas distintos:

• ♦Gases e poeiras atmosféricas atenuam muito a penetração de radiação que chega à Terra;

• ♦Radiação ultravioleta, com ondas menores que 0,3μm, totalmente barradas pela camada de ozônio (25 km de altitude) fatais para protoplasma exposto;

• ♦Adsorção (fixação de molécula de 1 substância à superfície de outra substância) atmosférica reduz irregularmente radiação infravermelha;

• *Energia Radiante incidente sobre a superfície terrestre (dia com céu limpo):

• 10% ultravioleta + 45% luz visível + 45% infravermelho;• ♦Luz visível menos atenuada ao passar pela atmosfera e água clara

imprescindível para fotossíntese;• ♦Absorção luminosa pela vegetação:• ●fortemente ondas azul e vermelho visíveis e infravermelho longo;• ●médio ondas verde e• ●pouco infravermelho próximo.• ♦Uso: sensoriamento remoto e fotogrametria aéreos e de satélite

(vegetação natural, culturas, áreas impactadas, etc.).• ♦Absorção intensa do infravermelho longo (calor) e radiação visível

pela folhagem das árvores sombras fresca e intensa das florestas (ex.: desertos quentes – dia e frios – noite);

• *Absorção da clorofila:• ♦Principalmente: luzes azul e vermelha (0,4 μm a 0,5 μm

e 0,6 μm a 0,7 μm, respectivamente);• ♦Água nas folhas (vapor d’água): absorvem calor do

infravermelho longo ambientes com vegetação atenua e “conserva” calor.

• *Radiação Térmica:• ♦Proveniente de superfícies expostas à luz solar, e com

temperaturas externas acima do zero absoluto;• ♦Inclui: solo, água, ar, vegetação, nuvens;• ♦Nuvens: irradiam muita energia térmica – noites sem

nuvens são mais frias; contribuem para efeito estufa;

• *Absorção pela Biomassa:• ♦Mais facilmente radiação térmica que radiação

solar;• ♦Desertos e tundras: fluxo durante período claro

é muito maior que no período escuro;• ♦Águas profundas ou interiores de floresta

tropical e cavernas: radiação com pouca variação durante todo o período de 24h;

• ♦Água e Biomassa têm tendência natural a redução das flutuações diárias no ambiente energético diminuição das condições inóspitas para a vida.

• *Luz solar integrada e recebida diretamente pelo estrato autotrófico: mais importante para a produtividade e ciclagem de nutrientes num ecossistema.

Influxo energético sobre a Terra, diariamente:• ●Entre 100 e 800 gcal/cm2/dia = 1.000 a 8.000 kcal/m2/dia;• ●Maior parte da Terra;• ●Exceção: pólos e regiões áridas (desertos) – extremos de

radiação – pouca produção biológica.• ●Média geral de influxo de energia radiante: 3.000 a 4.000

kcal/m2/dia e 1,1 a 1,5 milhão kcal/m2/ano. Radiação Líquida: é a diferença entre todos os fluxos de energia

dirigidos para baixo (que entram) e todos os fluxos de energia dirigidos para cima (que saem) da superfície terrestre.

Entre os paralelos 40o N e 40º S, Radiação Líquida anual :• ●sobre os oceanos: 1 milhão kcal/m2/ano;• ●sobre os continentes: 0,6 milhão kcal/m2/ano. Dissipação de toda a energia que entra na forma de Evaporação

de água e geração de ventos térmicos; ”Atraso” na saída de energia (calor) da biosfera Efeito estufa;

• Aplicação da energia solar que entra na Biosfera:• ● 1% convertido em alimento e outras formas de

biomassa;• ●70% restante produzem calor, evaporação,

precipitação, vento, etc. aproveitáveis na manutenção da temperatura essencial à vida e como impulsionadores dos ciclos meteorológicos e hídricos;

Outras formas de energia aproveitáveis:• ●Movimento das marés e geotérmica aproveitáveis

localmente, devido altos custos.

PRODUTIVIDADE Produtividade Primária: taxa de conversão da energia radiante em

substâncias orgânicas, através da fotossíntese e quimiossíntese. Divide-se em 4 etapas:

• ●Produtividade Primária Bruta ou Fotossíntese Total ou assimilação Total: taxa global de fotossíntese, inclusive a matéria orgânica gasta na respiração, durante o período de medição.

• ●Produtividade Primária Líquida ou Fotossíntese Aparente ou Assimilação Líquida: taxa de armazenamento de matéria orgânica nos tecidos vegetais, em excesso, e gastos na respiração, durante o período de medição.

• ●Produtividade Líquida da Comunidade: taxa de armazenamento de matéria orgânica não usada pelos heterótrofos (produção primária líquida – consumo heterotrófico) e medida durante certo período (ex. 1 ano, etc.).

• ●Produtividades Secundárias: taxas de armazenamento energético ao nível dos consumidores.

• Obs.1: A produtividade secundária não deve ser dividida em bruta e líquida devido ao fato dos consumidores já utilizarem materiais alimentares já produzidos que são convertidos em tecidos diferentes.

• Obs.2: Fluxo energético nos heterótrofos: Assimilação;• Fluxo energético nos autótrofos: Produção.

• Obs.3: Produtividade e Taxa de Produção = sinônimos.

• Obs.4: 2ª Lei da termodinâmica: a “quantidade” de energia diminui a cada etapa de transferência, pela dissipação de calor que ocorre na transformação da energia de uma forma em outra.

Ocorrência de altas taxas de produção em ecossistemas, devido a:• Fatores físicos favoráveis, e;• Subsídios energéticos externos (ação de ventos e da chuva,

energia das marés, queima de combustíveis fósseis, trabalho humano ou animal, etc.).

Taxa: componente indispensável na produtividade biológica (quantidade de energia fixada num determinado período de tempo).

Difere da produção química ou industrial:• ●Industrial: termina com a produção de material;• ●Biológica: é um processo contínuo.

Biomassa x Produtividade: Biomassa: ou standing crop: é a quantidade de

biomassa existente no momento da medição; Produtividade: taxa de transformação (ou

fixação) da energia radiante em matéria orgânica.

• *Relação entre Energia Radiante e Fotossíntese:

50% da energia radiante que chega a Terra são absorvidas;

5% (Max. 10%) da que é absorvida é convertida em fotossíntese;

20% (geralmente 50%) é consumida na respiração vegetal.

Quadro 1: Dissipação Energética da Radiação Solar como Porcentagem da Entrada Anual na Biosfera.

Forma de Dissipação da energia %

Refletida 30

Conversão direta em calor 46

Evaporação, precipitação 23

Ventos, Ondas, Correntes 0,2

Fotossíntese 0,8

Energia das marés 0,0017

Energia Terrestre 0,5

Distribuição da produção Primária: Tempo de reposição ou turnover time: razão entre a biomassa e a produção; Turnover time na floresta: medido em anos; Turnover time no mar: medido em dias;

Produtividade marinha:• ●Águas costeiras: 30 m superficiais – esverdeadas e escuras = mais férteis;• ●Mar aberto, águas claras: até 100 m profundidade – azuis e claras = menos férteis;• ●Explicação: fitoplâncton adaptado à sombra. Fotossíntese ocorre logo abaixo da

superfície.

Produtividade florestal:• ●folhas das copas = adaptados ao sol forte;• ●folhas inferiores = adaptadas à sombra. Oceanos têm baixíssima produtividade, em geral – Técnica de medição do carbono-

14; Produção terrestre = 2 x a produção marinha. Maior parte da Terra com baixa produção: limitadas por carência de nutrientes,

água, etc. Áreas com alta produtividade: recebem subsídios energéticos (estuários, áreas

costeiras com ressurgência, subsolo rico, etc.). Relação Produtividade x Evapotranspiração (terrestre): correlação direta; Relação Produtividade x Profundidade (aquáticos): correlação inversa.

*Produção nos oceanos.

Quadro 2: Produção Primária Bruta (anual) estimada da Biosfera e distribuição nos principais ecossistemas: Ecossistema Área (106 km2) Produtividade

primária bruta (kcal x m-1 x ano-1)

Produtividade bruta total (106 x ano-1)

Marinhos

Oceanos abertos 326,0 1.000 32,6

Zonas Costeiras 34,0 2.000 6,8

Zonas de ressurgência

0,4 6.000 0,2

Estuários e Recifes 2,0 20.000 4,0

Terrestres

Desertos e Tundras 40,0 200 0,8

Campos e Pastos 42,0 2.500 10,5

Florestas secas 9,4 2.500 2,4

Florestas boreais e coníferas

10,0 3.000 3,0

Florestas temperadas; pouco ou nenhum subsídio energético

10,0 3.000 3,0

Florestas temperadas úmidas

4,9 8.000 3,9

Agricultura com subsídios (mecanizada)

4,0 12.000 4,8

Florestas tropicais e subtropicais úmidas (perenes e latifoliadas)

14,7 20.000 29,0

Subtotal 135,0 - 57,0

Total e média (col. 2) para a biosfera

5.000,0 2.000 100,0

NÍVEIS TRÓFICOS

• *Cadeia Alimentar ou Trófica: Gr. Trofos = comer.• É a seqüência da transferência de energia, desde a fonte, ou

produtores autótrofos, que passa por vários organismos, os quais consomem e são consumidos, e onde esta energia sofre altas perdas (≈ 80% a 90%) na forma de calor, entre um estágio (consumidor) e outro.

• *2 Tipos de Cadeias Tróficas:• i)Cadeia de Pastagem: planta herbívoro carnívoro;• ii)Cadeia de Detritos: matéria orgânica não-viva microrganismos

detritívoros Predadores.• *Rede Alimentar ou Trófica: Interconexão de várias cadeias tróficas dentro

de uma comunidade.• *Níveis Tróficos: etapas pelas quais, um organismo obtêm energia,

contadas desde a fixação pela fotossíntese até o organismo analisado.• Ex.: plantas produtores = 1º nível trófico*• Herbívoros consumidores primários = 2º nível trófico*• Carnívoros 1 consumidores secundários = 3º nível trófico*• (*) = é uma classificação de função e não de espécies. Determinada população pode ocupar mais de 1 nível trófico, dependendo

da fonte energética assimilada. Ex. o homem.

*Rede Trófica

*Rede Trófica Oceânica

*Componentes Energéticos da Cadeia Trófica:

NU: Energia Não Utilizada – disponível no mesmo N.T.

A = Produção Bruta (Fotossíntese Bruta): Heterótrofos = alimento produzido noutro lugar;

R = Respiração (parte da energia fixada, queimada e perdida como calor);

P = Produção (M.O. nova); Autótrofos = produção líquida; Heterótrofos = produção secundária; Disponível para próximo N.T.;

E = Entrada energética; LA = Luz absorvida; PB = Produção Primária Bruta; A = Assimilação total; PL = Produção Primária Líquida; P =Produção secundária; NU = energia Não Utilizada; NA = energia Não Assimilada; R = Respiração; energia = kcal . m-2 . dia-1.

e(t) = entrada energética em relação ao tempo; s(t) = saída energética; e/s = kcal . m-2 . ano-1.

*Eficiência Ecológica: • ♦Proporção entre fluxos energéticos, medidas em diferentes pontos de uma

cadeia trófica, e expressas em porcentagem.• ♦Devem ser expressas sempre com o numerador e denominador nas

mesmas unidades (p. ex. kcal);• ♦Eficiências nas transferências entre níveis tróficos: Eficiência PB/L = 1 a 5%; Eficiência PB/LA = 2 a 10%; Eficiência entre níveis tróficos secundários = 10 a 20%;• *PB= Fotossíntese total (Produção Bruta);• *LA= Luz absorvida;• *L=Luz total.• ♦Proporção de energia assimilada e gasta na respiração:• Animais de sangue quente = 10 x animais de sangue frio;• ♦Eficiência de produção P/A: menor para animais de sangue quente;• ♦Eficiência de transferência entre níveis tróficos:• Cadeia alimentar de invertebrados > cadeia alimentar de

mamíferos.• Ex.: Alce Lobo ≈ 1%; Daphnia Hydra ≈ 10%.• ♦Herbívoros x Carnívoros:• *Eficiência P/A maior;• *Eficiência A/E menor.

*Magnificação Biológica, Bioacumulação: • ♦Concentração de substâncias ao longo de uma cadeia trófica;• ♦Ocorre pelo lançamento de resíduos químicos industriais/domésticos, no

meio ambiente;• ♦Organismos do final da cadeia concentram quantidades maiores que os do

início da cadeia;• ♦Ex.: Uso de DDT (inseticida de hidrocarbonetos clorados) tem um Fator de

Concentração de: FC = 500.000 vezes para animais piscívoros; FC: razão entre ppm no organismo / ppm na água. Peixes e aves: concentrações exageradas depósitos corporais de

gordura. Aves: muito vulneráveis ao DDT interfere formação da casca do ovo.• ♦Muito fatores abióticos podem influenciar no FC: Seres humanos ingerem menos DDT que gaviões-pesqueiros: cozimento e

industrialização removem parte do inseticida; Peixes em perigo duplo:• *contaminação por absorção direta das substâncias do meio – guelras;• *contaminação pela alimentação.

Quadro 3 - Exemplo de Concentração de DDT na Cadeia Trófica*. Compartimento Resíduos de DDT (ppm†) Água 0,00005

Plâncton 0,04

Peixinho prateado 0,23

Pargo 0,94

Lúcio (predador) 1,33

Peixe agulha (predador) 2,07

Garça (pequenos animais) 3,57

Andorinha-do-mar (pequenos animais) 3,91

Gaivota real (animais variados) 6,00

Ovo do Gavião Pesqueiro 13,8

Merganso (peixes) 22,8

Cormorrão (peixes maiores) 26,4 †Partes por milhão (ppm) de resíduos totais, DDT + DDD + DDE (todos tóxicos), em termos de peso úmido e organismo inteiro.

*Dados de Woodwell, Wuster & Isaacson, 1967.

*Estrutura Trófica e Pirâmides Ecológicas:• ♦Estrutura Trófica: interação entre o fenômeno da cadeia alimentar (perdas

energéticas entre cada transferência) e a relação entre o tamanho e metabolismo resultante da cadeia trófica.

• ♦Cada comunidade tem sua estrutura trófica própria, que pode caracterizar um certo tipo de ecossistema (lago, floresta, recife de coral, pasto, etc.);

• ♦Estrutura trófica pode ser medida e descrita: biomassa presente por unidade de área; energia fixada por área por tempo.• ♦Pirâmides Ecológicas: representações gráficas da estrutura trófica e da

função trófica;• ♦1º nível: produtores;• ♦Pirâmides de 3 tipos: Pirâmide de Números: número de organismos individuais; Pirâmide de Biomassa: unidade de medida de biomassa (peso seco,

calorias, etc.); Pirâmide de Energia: fluxo energético ou Produtividade.• ♦Pirâmides de Números e Biomassa: podem ser invertidas: base

menor que níveis sucessivos indivíduos produtores maiores, em média, que indivíduos consumidores;

• ♦Pirâmide de Energia sempre “Direta”, não-invertida.• *Características das Pirâmides Ecológicas:• ♦Pirâmide de Números: pouco precisa e confiável: não indica os efeitos da cadeia alimentar nem do

tamanho; sofrerá muitas variações na sua forma, dependendo do tamanho dos indivíduos:

produtores pequenos, consumidores grandes; impossibilidade de mostrar toda a comunidade devido à grande variação dos

números.• ♦Pirâmide de Biomassa: melhor explicação das relações de biomassa para os grupos ecológicos em geral; dependente do tamanho dos organismos: tamanhos não muito diferentes

pirâmide direta;• Indivíduos dos níveis inferiores muito menores que dos níveis superiores pirâmide

invertida;• Ex.: pirâmides de biomassa invertidas: lagos e mar: produtores (fitoplâncton) muito

mais pesados que consumidores primários (zooplâncton), períodos de alta produtividade primária (crescimento acelerado – primavera/verão).

• ♦Pirâmide de Energia: reflete melhor o estado funcional das comunidades; reflete a velocidade de passagem do alimento ao longo da cadeia trófica; sua forma não sofre alteração devido ao tamanho e taxa metabólica dos indivíduos; será direta se todas as fontes energéticas forem consideradas; fornece índice mais adequado para comparação de todo e qualquer componente de

um ecossistema;

• ♦Pirâmides de números e biomassa refletem estados instantâneos (quantidade de organismos presentes em determinado momento);

• ♦Números dão muito importância aos organismos pequenos;

• ♦Biomassa dá muita importância aos organismos grandes;

• ♦Pirâmides de números e biomassa não devem ser usadas para comparação do papel funcional de populações com muitas diferenças de tamanho e metabolismo;

• ♦Pirâmides ecológicas servem para ilustrar relações quantitativas em partes específicas de um ecossistema. Ex. proporção presa – predador ou hospedeiro – parasita.

• ♦Pirâmide de números de parasitas: invertida;• ♦Pirâmides de Biomassa e Energia de parasitas: diretas.

Exemplos de Pirâmides Ecológicas de(A) Números; (B)Biomassa e (C)Fluxo de Energia.

Quadro 4 - Comparação entre Densidade, Biomassa e Fluxo Energético de 5 com indivíduos de tamanhos diferentes.

Comunidade Densidade aproximada (m2)

Biomassa (g/m2) Fluxo energético (Kcal/m2/dia)

Bactérias do solo 1012 0,001 1,0

Copépodas marinhos (Acartia)

105 0,001 2,5

Caramujos zona entre marés (Littorina)

200 10,0 1,0

Gafanhotos de alagados marinhos (Orchelimum)

10 1,0 0,4

Camudongos do prado (Microtus)

10-2 0,6 0,7

Veado (Odocoileus) 10-5 1,1 0,5

Quadro 5 – Comparação entre Metabolismo Total e Densidade Populacional

de microrganismos do solo.

Solo sem acréscimo de esterco

Solo com acréscimo de esterco

Energia dissipada: Kcal x 106/acre/ano

1 15

Densidade populacional média (No./g de solo)

Bactérias x 108 1,6 2,9

Micélios de fungos x 106 0,85 1,01

Protozoários x 103 17 72