O Mundo Vivo: Ecossistemas

Em 1995, quatorze lobos cinzentos foram liberados no Parque Nacional de Yellowstone, onde os lobos estavam ausentes por 70 anos. O número de alces diminuiu e eles deixaram de pastar ao longo dos rios; salgueiros e freixos voltaram a crescer; castores retornaram para usá-los, e suas represas criaram lagos para peixes e aves. Um único predador alterou todo um ecossistema. Esta unidade trata de como os seres vivos estão ligados uns aos outros, e à energia e à matéria que fluem através deles.

Um ecossistema é composto por todas as partes vivas (bióticas) e não vivas (abióticas) de uma área e pelas interações entre elas. Fatores abióticos incluem luz solar, temperatura, água, solo e nutrientes.

As espécies em um ecossistema interagem de várias maneiras:

Simbiose é qualquer relação próxima e de longa duração entre duas espécies: mutualismo, comensalismo e parasitismo são todos tipos de simbiose.

A competição ocorre dentro de uma espécie e entre espécies quando um recurso é limitado. Com o tempo, espécies concorrentes frequentemente evoluem para partição de recursos: elas usam o recurso de maneiras diferentes, em locais diferentes ou em momentos diferentes. Por exemplo, várias espécies de tordilhos se alimentam na mesma árvore de abeto, mas em partes diferentes dela; gaviões caçam durante o dia e corujas à noite.

Um bioma é uma grande região com uma comunidade característica de plantas e animais adaptada ao seu clima. Biomas terrestres são definidos principalmente por temperatura média e precipitação, que dependem, por sua vez, da latitude e altitude.

As duas imagens abaixo estão nas extremidades opostas da escala de precipitação, razão pela qual sua vida parece tão diferente:

Recursos naturais terrestres, como água doce e madeira, estão distribuídos de forma desigual devido ao clima, geografia, latitude, altitude, nutrientes e solo. Os limites dos biomas não são fixos: conforme o clima aquece, os biomas estão se deslocando em direção aos polos e para cima das montanhas, e espécies que não conseguem se mover rapidamente estão em risco.

Biomas aquáticos são divididos por salinidade (teor de sal), profundidade, fluxo de água, temperatura e turbidez (opacidade).

• Biomas de água doce: riachos e rios (água corrente, alto oxigênio), lagos e lagoas (água parada) e pântanos de água doce. São uma fonte vital de água potável.
• Biomas marinhos: oceano aberto, recifes de coral (águas tropicais quentes, claras e rasas), zonas húmidas salgadas e estuários, onde os rios encontram o mar e a água doce se mistura à água salgada.
• Zonas úmidas (pantânsos, charnecas, manguezais) são terras cobertas por água por pelo menos parte do ano. Filtram poluentes, armazenam água de enchentes e fornecem berçários para peixes.

Estuários e marismas são altamente produtivos porque recebem nutrientes dos rios e das marés, e a água rasa recebe luz solar. Os recifes de coral também são altamente produtivos, mas geralmente crescem em águas pobres em nutrientes: os corais e suas algas simbióticas reciclam nutrientes de forma eficiente. No oceano aberto, minúsculas algas (fitoplâncton) produzem uma grande parcela do oxigênio da Terra e absorvem dióxido de carbono da atmosfera.

Um ciclo biogeoquímico é o movimento de um elemento entre reservatórios (depósitos). Um reservatório que armazena mais do elemento do que libera é um sumidouro; aquele que libera mais do que armazena é uma fonte. Alguns reservatórios mantêm o elemento brevemente (atmosfera, seres vivos), outros por milhões de anos (rochas, combustíveis fósseis).

O ciclo do carbono move o carbono entre a atmosfera, seres vivos, oceano, solo e rochas:

• A fotossíntese captura $\text{CO}_2$ do ar e armazena o carbono em açúcares: $6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2$.
• A respiração celular por plantas, animais e decompositores libera-o novamente na forma de $\text{CO}_2$.
• A decomposição de matéria morta retorna o carbono ao ar e ao solo.
• O oceano absorve $\text{CO}_2$ do ar (é o maior sumidouro ativo de carbono); organismos marinhos constroem conchas de carbonato de cálcio, que assentam e formam calcário.
• O enterramento de plantas mortas e plâncton sob sedimentos, ao longo de milhões de anos, formou combustíveis fósseis (carvão, petróleo, gás natural).

Impacto humano. A queima de combustíveis fósseis libera carbono armazenado por milhões de anos na atmosfera em poucas décadas, muito mais rápido do que a fotossíntese e os oceanos podem removê-lo. Desmatamento agrava: queimar florestas libera carbono, e restam menos árvores para absorver $\text{CO}_2$. O resultado é o aumento do $\text{CO}_2$ atmosférico e as mudanças climáticas.

O nitrogênio é necessário para produzir proteínas e DNA. A atmosfera é o maior reservatório de nitrogênio (78% $\text{N}_2$), mas plantas e animais não podem usar diretamente o gás $\text{N}_2$. A maioria dos reservatórios de nitrogênio (solo, seres vivos) o retém apenas por um curto período.

O ciclo do nitrogênio tem cinco etapas principais:

1. A fixação do nitrogênio converte o $\text{N}_2$ atmosférico em nitrogênio utilizável biologicamente. Bactérias no solo e nos nódulos das raízes de leguminosas (feijão, trevo) formam amônia ($\text{NH}_3$) ou amônio ($\text{NH}_4^+$). O processo industrial de Haber produz amônia para fertilizantes. Raios formam óxidos de nitrogênio que chegam ao solo principalmente como nitrato.
2. Nitrificação: bactérias do solo convertem íon amônio em nitrito ($\text{NO}_2^-$) e depois em nitrato ($\text{NO}_3^-$).
3. Assimilação: as plantas absorvem nitrato e íon amônio pelas raízes e os incorporam às proteínas; os animais obtêm nitrogênio ao se alimentar de plantas.
4. Amorfização: decompositores quebram matéria orgânica morta e resíduos, liberando íon amônio de volta ao solo.
5. Denitrificação: bactérias em solos encharcados e com baixo oxigênio convertem nitrato novamente em $\text{N}_2$ (e algum $\text{N}_2\text{O}$, um gás estufa), que retorna à atmosfera.

Impacto humano. Fertilizantes sintéticos e esterco adicionam grandes quantidades de nitrogênio. Como o nitrato dissolve-se facilmente, o excesso de fertilizante lixivia para águas subterrâneas (insegura para consumo) ou escorre para rios, causando florações algais. A queima de combustíveis libera óxidos de nitrogênio, causadores de smog e chuva ácida.

O fósforo é necessário para DNA, ATP (a molécula de energia celular), membranas celulares e ossos e dentes.

O ciclo do fósforo é incomum: ele não possui etapa atmosférica. Seus principais reservatórios são rochas e sedimentos contendo minerais fosfatados.

1. Intemperismo da rocha libera lentamente fosfato ($\text{PO}_4^{3-}$) para o solo e a água.
2. As plantas o absorvem; os animais o obtêm ao se alimentar de plantas.
3. Decompositores devolvem fosfato ao solo a partir de resíduos e organismos mortos.
4. Escorrimento superficial transporta fosfato para lagos e oceanos, onde ele sedimenta.
5. Ao longo de milhões de anos, sedimentos formam rochas por compactação e cimentação; o soerguimento geológico pode expor essas rochas em terra firme.

O fósforo não apresenta uma fase gasosa significativa, embora o vento possa transportar fosfato na poeira. Ele retorna dos sedimentos oceânicos à terra firme principalmente por meio de processos geológicos lentos. Por isso, é naturalmente escasso na maioria dos ecossistemas e muitas vezes é o nutriente limitante para o crescimento de plantas e algas.

Impacto humano. A rocha fosfática é extraída para fertilizantes, e os fosfatos eram comuns em detergentes. O escoamento superficial de fazendas e esgotes adiciona fósforo a lagos e rios, causando eutrofização: as algas crescem rapidamente, depois morrem e se decompor, e os decompositores consomem o oxigênio dissolvido, matando os peixes.

O ciclo da água (ciclo hidrológico) move a água entre suas formas sólida, líquida e gasosa. É impulsionado por energia do Sol.

• Evaporação: o Sol aquece a água superficial, que se transforma em vapor d'água.
• Transpiração: as plantas liberam vapor d'água através de suas folhas.
• Condensação: o vapor esfria e forma nuvens.
• Precipitação: a água cai como chuva, neve ou granizo.
• Escoamento superficial e infiltração: a água flui sobre a terra até os rios ou infiltra-se no solo para tornar-se água subterrânea em aquíferos.

Os oceanos são o principal reservatório, contendo cerca de 97% da água da Terra. Calotas polares e geleiras contêm cerca de 2%, e a água subterrânea doce, menos de 1%; a água subterrânea salina contém grande parte do restante, enquanto lagos, rios e a atmosfera contêm apenas uma pequena fração. Assim, menos de 1% de toda a água é água doce facilmente disponível.

Impacto humano. A pavimentação de superfícies aumenta o escoamento superficial e as inundações e reduz a infiltração; o desmatamento reduz a transpiração e a precipitação local; a extração de água subterrânea mais rápido do que ela se reabastece abaixa o lençol freático.

Produtividade primária é a taxa na qual os produtores convertem energia solar na energia química de compostos orgânicos pela fotossíntese. É medida como energia (ou biomassa) por unidade de área por unidade de tempo, por exemplo $\text{kcal/m}^2/\text{yr}$.

• Produtividade primária bruta (PPB) é a taxa total de fotossíntese em uma área.
• Produtividade primária líquida (PPL) é a energia restante após os produtores usarem parte dela para sua própria respiração ($R$). A PPL é a energia disponível para os consumidores.

Exemplo resolvido. Os produtores em um campo capturam $20{,}000\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$ (PPB) e usam $8{,}000\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$ na respiração. $\text{NPP} = 20{,}000 - 8{,}000 = 12{,}000\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$. Apenas essa PPL, e não a PPB total, está disponível para os consumidores.

*A produtividade primária líquida é o que resta da produtividade bruta após a respiração própria da planta

Florestas tropicais úmidas, pântanos e brejos, estuários e recifes de coral têm alta produtividade por metro quadrado. Os recifes de coral mantêm alta produtividade em águas pobres em nutrientes por meio da reciclagem eficiente de nutrientes. Desertos, tundras e o oceano aberto (com poucos nutrientes) têm baixa produtividade por metro quadrado.

Luz na água. A água absorve a luz rapidamente. A luz vermelha é absorvida mais rapidamente do que a luz azul, que penetra mais profundamente; a profundidade depende da transparência da água. Assim, a maior parte da fotossíntese aquática acontece perto da superfície, e as algas de águas profundas têm pigmentos que captam a luz azul.

Todo ecossistema precisa de um fluxo contínuo de alta qualidade energética, quase sempre proveniente do Sol. A energia flui do Sol para os produtores no menor nível trófico, e depois sobe para níveis superiores:

1. Produtores (autótrofos): plantas, algas e fitoplâncton produzem seu próprio alimento por fotossíntese.
2. Consumidores primários (herbívoros) se alimentam de produtores.
3. Consumidores secundários se alimentam de consumidores primários.
4. Consumidores terciários se alimentam de consumidores secundários; predadores de topo não possuem predadores naturais.

Decompositores (bactérias e fungos) e detritívoros (minhocas, milipeses) decompor matéria orgânica morta e resíduos de todos os níveis, devolvendo nutrientes ao solo e à água. Sem eles, a matéria não seria reciclada.

A energia flui em uma única direção, mas a matéria cicla: os ciclos biogeoquímicos demonstram a conservação da matéria. Os átomos nunca são destruídos; eles transitam entre reservatórios.

A regra dos 10%: em média, apenas cerca de 10% da energia de um nível trófico é transferida para o seguinte. Os outros 90% são usados nos próprios processos vitais dos organismos (respiração, movimento, manutenção do calor) e acabam perdidos como calor, ou estão em partes que não são comidas ou digeridas.

As leis da termodinâmica explicam isso. A primeira lei diz que a energia não é criada nem destruída, apenas transformada. A segunda lei afirma que toda vez que a energia se transforma, parte dela vira calor, que não é útil para o próximo nível. Assim, a energia não pode ser reciclada ao longo da cadeia alimentar.

Exemplo resolvido. De $12{,}000\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$ de produtividade primária líquida, os consumidores primários recebem cerca de $1200\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$, os consumidores secundários cerca de $120\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$ e os consumidores terciários apenas cerca de $12\ \text{kcal/m}^2/\text{yr}$. Após três transferências, a energia foi reduzida mil vezes.

Exemplo resolvido (de trás para frente). Uma população de falcões precisa de $50$ kcal por dia a partir de cobras. Descendo, as cobras precisam de $500$ kcal, os camundongos de $5000$ kcal e a grama de $50{,}000$ kcal. Multiplique por 10 para cada nível que você desce.

Exemplo resolvido (alimento necessário). Um ocelote precisa de 720 g de alimento por dia, e 46% de sua dieta em massa são ratos-do-mato. Cada rato tem massa de 43 g. Quantos ratos um ocelote come por dia?

1. Massa de ratos consumidos: $720 \times 0.46 \approx 331$ g por dia.
2. Número de camundongos: $331 \div 43 \approx 7.7$, portanto cerca de 8 camundongos por dia.
3. Mostre cada etapa com unidades; questões de resposta livre podem atribuir um ponto pela montagem correta; confira o arredondamento e as unidades exigidos pela questão.

Por que o nível trófico da cadeia alimentar importa. Ratos se alimentam de plantas, sendo consumidores primários; cobras se alimentam de outros animais, sendo pelo menos consumidores secundários. Um ocelote que come cobras obtém energia que passou por uma transferência 10% a mais do que a energia dos ratos, exigindo muito mais produção primária para fornecer a mesma 720 g de cobras.

Essa perda de energia explica por que cadeias alimentares raramente têm mais de quatro ou cinco níveis, por que predadores de topo são poucos e por que se alimentar em níveis mais baixos da cadeia alimentar (plantas em vez de carne) sustenta mais pessoas na mesma área de terra.

Uma cadeia alimentar é um único caminho de quem come quem. Uma rede alimentar mostra muitas cadeias alimentares interligadas em um ecossistema. Em ambas, as setas apontam do alimento para o consumidor: elas indicam a direção em que a energia e os nutrientes fluem.

Como as espécies estão conectadas, adicionar ou remover uma espécie afeta outras:

• Remover um predador permite que sua presa aumente, o que pode levar a um consumo excessivo dos produtores. Por exemplo, a remoção de aranhas pode permitir que insetos herbívoros multipliquem e danifiquem lavouras.
• A introdução de carpas-prateadas e carpas-cabeçudas invasoras que comem plâncton, como na bacia do rio Mississippi, deixa menos alimento para os peixes nativos.
• Uma espécie-chave tem um efeito muito maior sobre seu ecossistema do que seu número sugere. Os lobos de Yellowstone e lontras-do-mar (que comem ouriços-do-mar, que caso contrário destruiriam florestas de algas kelp) são exemplos.

Laços de retroalimentação operam em redes alimentares. Em um laço de retroalimentação negativa, uma mudança produz efeitos que a revertem: mais coelhos alimentam mais raposas, que então reduzem os coelhos, mantendo ambas as populações estáveis. Em um laço de retroalimentação positiva, uma mudança produz efeitos que a amplificam: menos árvores levam a mais erosão, o que leva a ainda menos árvores.

Responda antes de ler as respostas abaixo.

1. Uma área de campo tem produtividade primária bruta de $5000$ kcal/m²/ano, e seus produtores usam $3000$ kcal/m²/ano na respiração. Calcule a produtividade primária líquida.
2. Os produtores de uma teia alimentar contêm $20\,000$ kcal. Usando a regra de $10\%$, quanta energia chega aos consumidores secundários?
3. Descreva a fixação do nitrogênio e explique por que ela é importante para as plantas.
4. Explique por que o ciclo do fósforo é muito mais lento que os ciclos do carbono ou do nitrogênio.
5. Identifique um sumidouro de carbono e explique como a queima de combustíveis fósseis altera o ciclo do carbono.
6. Explique por que a tundra tem baixa produtividade primária.

1. $\text{NPP} = \text{GPP} - \text{R} = 5000 - 3000 = 2000$ kcal/m²/ano.
2. Produtores $\rightarrow$ consumidores primários $2000$ kcal $\rightarrow$ consumidores secundários $200$ kcal.
3. Bactérias (de vida livre ou em nódulos das raízes de leguminosas) convertem $\text{N}_2$ atmosférico em amônia ($\text{NH}_3$) ou amônio. As plantas não conseguem usar $\text{N}_2$ diretamente, mas podem absorver essas formas para produzir proteínas e ácidos nucleicos.
4. Ele não tem fase gasosa: o fósforo entra nos ecossistemas principalmente por meio do lento intemperismo das rochas.
5. O oceano (ou as florestas, ou as rochas sedimentares). A queima transfere para a atmosfera, na forma de $\text{CO}_2$, o carbono que ficou armazenado por milhões de anos em combustíveis fósseis, muito mais rapidamente do que os sumidouros conseguem absorvê-lo.
6. Baixas temperaturas, uma curta estação de crescimento e pouca precipitação limitam a fotossíntese.

• Energia flui em uma única direção e é perdida como calor (a regra do 10%); matéria cicla (carbono, nitrogênio, fósforo, água).
• Para simbiose, indique o efeito sobre ambas as espécies (+/+, +/0, +/−).
• Saiba qual ciclo não possui fase gasosa (fósforo) e onde cada elemento é armazenado por mais tempo (carbono em rochas e combustíveis fósseis, nitrogênio na atmosfera, fósforo em rocha).
• Liste as etapas do ciclo do nitrogênio em ordem e indique quais organismos realizam cada uma: fixação (bactérias), nitrificação (bactérias), assimilação (plantas), amonificação (decompositores) e desnitrificação (bactérias).
• Use NPP = PMB − respiração; apenas a PMB está disponível para os consumidores. Forneça unidades como $\text{kcal/m}^2/\text{yr}$.
• Em uma teia alimentar, as setas indicam a direção do fluxo de energia, do alimento para o consumidor.
• Quando uma espécie é removida, siga os efeitos pelo menos duas etapas pela teia.
• Mostre cada etapa nos cálculos, com unidades; a calculadora da FRQ é permitida, mas os pontos exigem o desenvolvimento.