Energia, Ambiente, Microbiologia e Imunidade

Um campo de trigo intercepta a luz solar, fixa carbono e alimenta uma cadeia alimentar — e perde energia em cada etapa. Esta unidade acompanha a energia do fóton até o ecossistema, e depois foca nos menores participantes: os microrganismos que reciclam, os patógenos que exploram e o sistema imunológico que defende. WBI14 também é o exame mais calculístico após a Unidade 1: espere cálculos de PPL, constantes de crescimento, índices de diversidade e aritmética de tempo de morte.

WBI14 Energia, Ambiente, Microbiologia e Imunidade é a primeira unidade IA2: 1 hora 30 minutos, 90 pontos, tudo obrigatório. Avalia o Tópico 5 (Fluxo de Energia, Ecossistemas e Ambiente) e o Tópico 6 (Microbiologia, Imunidade e Medicina Legal).

A reação global: $6\mathrm{CO_2} + 6\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\mathrm{O_2}$, impulsionada pela energia luminosa. Nas membranas tilacoides, as reações dependentes de luz fotolisam a água (liberando O₂ e H⁺), fotofosforilam o ADP e reduzem o NADP. No estroma, as reações independentes de luz (ciclo de Calvin) fixam dióxido de carbono na ribulose bifosfato com a rubisco, reduzem os produtos usando o ATP e o NADP reduzido da etapa anterior, e produzem GALP — parte para glicose, a maioria para regenerar RuBP.

Estrutura corresponde à função: tilacoides empilhados para absorver superfície; estroma repleto de enzimas para o ciclo.

Pigmentos e espectros

Clorofila a e b absorvem luz vermelha e azul; carotenoides ampliam o alcance e protegem. O espectro de absorção mostra o que cada pigmento capta; o espectro de ação mostra qual taxa de fotossíntese cada comprimento de onda impulsiona — sua concordância é evidência de que esses pigmentos realizam o trabalho. A cromatografia separa os pigmentos por solubilidade; $\mathrm{Rf} = \text{distance moved by pigment} / \text{distance moved by solvent}$.

Fatores limitantes: intensidade luminosa, concentração de CO₂, temperatura. Uma estufa eleva o mais fraco dos três — e respostas de prova devem identificar qual e por quê.

Produtividade primária bruta (PPB) é a energia fixada pela fotossíntese por área por tempo (kJ m⁻² ano⁻¹). As plantas gastam muito disso em sua própria respiração; o restante é a produtividade primária líquida:

Apenas cerca de 10 % da energia em cada nível trófico é transmitida para cima — perdida por respiração como calor, egestão, excreção e partes nunca consumidas. É por isso que cadeias raramente ultrapassam quatro ou cinco níveis e porque predadores de topo são raros.

Exemplo resolvido. Um campo de grama fixa 45 000 kJ m⁻² ano⁻¹ e respiradores 19 000. PPL $= 26\,000$ kJ m⁻² ano⁻¹. Gado que consome essa grama retém cerca de 10 %: 2 600 kJ m⁻² ano⁻¹. Humanos que consomem o gado retêm 260 — a aritmética energética por trás de "comer mais baixo na cadeia alimenta mais pessoas".

Quatro definições, precisamente: habitat (onde), população (indivíduos de uma espécie), comunidade (todas as populações), ecossistema (comunidade + ambiente). Fatores abióticos (luz, água, temperatura, pH) e bióticos (competição, predação, doença) determinam quem vive onde e em que abundância — juntos, o nicho ecológico.

Ciclo predador-presa com atraso: lebes surgem, linces seguem, lebes diminuem, linces morrem de fome — um atraso de cerca de um quarto de ciclo.

Sucessão ecológica inicia-se quando espécies pioneiras colonizam solo nu; cada etapa altera o solo e o microclima, permitindo a seguinte, até que a comunidade clímax se estabilize. A medição da abundância usa quadrantes e transectos (amostragem aleatória para estimativas, sistemática ao longo de um gradiente) e captura-marca-recaptura para animais ($N \approx \text{first catch} \times \text{second catch} / \text{marked recaptures}$).

As evidências vêm de registros diretos de temperatura, núcleos de gelo (ar preso fornecendo CO₂ antigo), anéis de árvores (dendrocronologia) e camadas de pólen em turfa. O efeito estufa intensificado: a radiação de onda longa emitida é absorvida por CO₂, metano e óxido nitroso e reemitida para baixo. Os gases diferem — o metano é potente mas de vida curta; o CO₂ dura séculos; o óxido nitroso combina ambos — então a política pondera o potencial de aquecimento global contra a vida útil.

Extrapolando uma tendência além de seus dados é um julgamento, não um fato: declare a suposição (a tendência continua) e sua fraqueza. Efeitos já examinados: mudança nos regimes de chuva e faixas de distribuição de espécies, e — próximo a este curso — o efeito da temperatura nas taxas enzimáticas em organismos ectotérmicos e ecossistemas inteiros.

Verificação trabalhada. O potencial de aquecimento do metano é cerca de 28× o do CO₂ por kg, mas dura ~12 anos contra séculos. Um vazamento de uma tonelada de metano importa 28× mais que um vazamento de uma tonelada de CO₂ nesta década, mas diminui enquanto o CO₂ persiste — a aritmética de "potencial de aquecimento vs carga cumulativa".

Evolução é uma mudança na frequência alélica. Exige variação (mutação, meiose) e um filtro: seleção direcional desloca a média quando o ambiente muda; seleção estabilizadora elimina os extremos em um ambiente estável. Deriva genética altera frequências por acaso em populações pequenas; fluxo gênico (migração) as mistura novamente.

Especiação exige isolamento: alopátrico (uma barreira física — alopátrico = terra diferente) ou simpátrico (isolamento reprodutivo no mesmo lugar — comportamental, temporal ou genético). Populações isoladas divergem até não conseguirem mais cruzar.

A técnica asséptica protege você e a cultura: flamejar a alça até calor vermelho, flamejar gargalos de frascos, levantar tampas brevemente, fixar placas e usar culturas didáticas aprovadas sob os procedimentos de incubação e descarte da escola. Temperaturas de incubação mais baixas reduzem alguns riscos, mas não garantem que patógenos não possam se multiplicar. Meça o crescimento por contagem direta de células (hemacitômetro), turbidez em caldo, ou contagens viáveis por placas de diluição (contagem de colônias × fator de diluição ÷ volume semead, resultando em unidades formadoras de colônias por unidade de volume).

A curva de crescimento: latente (síntese de enzimas), logarítmica (dobramento exponencial), estacionária (mortes = divisões), morte. A constante exponencial:

Exercício resolvido. De $2\times10^4$ a $1.6\times10^7$ células em 5 horas: diferença logarítmica $= 2.903$; $k = 2.903/(0.301\times5) = 1.93$ gerações por hora — um tempo de duplicação de aproximadamente 31 minutos.

Bactérias: parede celular, plasmídeos, ribossomos, DNA circular, algumas com cápsula e flagelo. Vírus: ácido nucleico (DNA ou RNA) em um capsídeo, alguns com envelope — sem organelas, sem metabolismo próprio; invadem células hospedeiras. Mycobacterium tuberculosis infecta os pulmões, sobrevivendo dentro de macrófagos; HIV infecta linfócitos T auxiliares e pode enfraquecer a defesa imunológica. HIV não tratado aumenta o risco de TB ativa, incluindo reativação de infecção existente; reativação não é inevitável.

Barreiras vêm primeiro: pele, muco e cílios, ácido estomacal, lisozima nas lágrimas e cascata de coagulação selando feridas.

Não específica: inflamação (vasodilatação e extravasamento de fluido trazendo fagócitos), fagocitose, interferon. Específica — antígenos a desencadeiam:

• Humoral: Linfócitos B efetores → células plasmáticas → anticorpos; linfócitos B de memória permanecem para uma resposta secundária mais rápida e intensa.
• Celular: Linfócitos T auxiliares coordenam, linfócitos T citotóxicos destróem células infectadas, linfócitos T de memória persistem.

O anticorpo padrão em forma de Y possui quatro cadeias polipeptídicas (duas pesadas, duas leves) e dois sítios de ligação a antígenos iguais. Cada sítio inclui uma região variável cuja forma ajuda a determinar a especificidade do antígeno. A imunidade divide-se em duas vias: ativa (seus próprios anticorpos — infecção natural ou vacinação) vs passiva (anticorpos administrados — mãe para bebê, soroterapia); natural vs artificial em cada uma. A vacinação atua também na escala populacional (imunidade de manada), mas os patógenos evoluem de volta: a corrida evolutiva.

Exemplo resolvido. Uma segunda dose da vacina produz níveis de anticorpos dez vezes superiores à primeira e em dias, não semanas: a seleção clonal identifica as células B de memória, que se dividem rapidamente em células plasmáticas — a resposta secundária construída pela primária.

Antibióticos bacteriostáticos impedem o crescimento bacteriano; bactericidas matam. A resistência surge por mutação e se espalha pela seleção sempre que a exposição elimina os sensíveis e preserva os resistentes — exposição desnecessária a antibióticos favorece a seleção, portanto devem ser usados apenas quando clinicamente indicados e conforme prescrito. Infecções hospitalares prosperam onde pacientes vulneráveis, dispositivos invasivos e cepas resistentes se encontram; higiene das mãos, procedimentos estéreis e isolamento de portadores interrompem a cadeia.

Decompositores reciclam carbono e nitrogênio — o sistema de resíduos do ecossistema. A reação em cadeia da polimerase alterna desnaturação (95 °C), anelamento dos iniciadores (50–60 °C) e extensão (72 °C), idealmente dobrando o DNA-alvo a cada ciclo: neste modelo simplificado, uma cópia inicial gera $2^n$ cópias após $n$ ciclos. A eficiência real de amplificação pode ser menor. A eletroforese em gel arrasta fragmentos de DNA carregados negativamente através do gel — fragmentos curtos percorrem mais longe. O perfil das posições das bandas apoia comparações entre amostras e investigação de relacionamentos familiares.

O tempo de morte é estimado por quatro relógios: temperatura corporal (cai ~1 °C por hora, modificada por porte, vestimenta, ar), rigidez cadavérica (instala-se e depois passa), grau de decomposição e sucessão de insetos no corpo — a chegada de cada espécie carimba temporalmente o intervalo.

Exemplo resolvido. Um corpo encontrado com temperatura central de 22 °C em ambiente de 15 °C: $(37-22)/(1\ ^\circ\text{C per hour}) \approx 15$ horas — mas apresente as premissas (ar parado, porte médio) antes de confiar no cálculo.

1. Nomeie os produtos das reações dependentes de luz utilizados pelo ciclo de Calvin.
2. Uma cultura fixa 60 000 kJ m⁻² yr⁻¹ e respiradores 20 000. Calcule PPL e a energia que chega ao terceiro nível trófico com transferência de 10 % em cada etapa.
3. Explique por que o espectro de ação é evidência de que a clorofila realiza a fotossíntese.
4. Distingua seleção direcional e estabilizadora com um exemplo de cada.
5. Cite duas razões pelas quais uma cadeia alimentar raramente excede cinco níveis tróficos.
6. Uma cultura cresce de $5\times10^3$ para $4\times10^6$ em 6 horas. Calcule k e o tempo de duplicação.
7. Explique por que uma segunda dose da vacina eleva o título de anticorpos muito mais rápido que a primeira.
8. Enuncie a diferença entre antibiótico bacteriostático e bactericida, e por que essa distinção importa para um paciente com sistema imune fraco.
9. Três ciclos de PCR a partir de uma fita dupla: quantas cópias?
10. A temperatura central de um corpo é 30 °C. Estime o tempo desde a morte sob premissas padrão e cite um fator que estenderia o intervalo real.

Respostas: 1 ATP e NADP reduzido; 2 PPL $= 40\,000$; terceiro nível $= 400$ (10 % por etapa de 4 000); 3 comprimentos de onda absorvidos melhor pela clorofila são aqueles que impulsionam melhor a fotossíntese; 4 direcional — resistência a antibióticos mudando a média; estabilizadora — peso ao nascer humano; 5 energia perdida em cada etapa ( respiração, calor, excreção) deixa pouco suficiente para sustentar outro nível; 6 $k = 2.903/(0.301 \times 6) = 1.61$ h⁻¹; duplicação ≈ 37 min; 7 células B de memória persistem e dividem-se rapidamente em células plasmáticas — a resposta secundária; 8 bacteriostático para o crescimento (a imunidade do hospedeiro deve eliminá-lo), bactericida mata — imunidade fraca precisa de bactericida; 9 $2^3 = 8$ cópias; 10 $(37-30)/1 = 7$ horas; roupas pesadas ou ambiente quente retardam o resfriamento, então o tempo real é maior.