Ecologia 04 - Estrutura dos ecossistemas, fluxo de energia e ciclos da matéria

ECOLOGIA 04 - ESTRUTURA DOS ECOSSISTEMAS, FLUXO DE ENERGIA E CICLOS DA MATÉRIA:

Maximiliano Mendes

Os componentes de um ecossistema:

Podemos dividi-los em dois grupos principais:

Fatores abióticos: são os fatores físicos, como o grau de salinidade da água, intensidade da luminosidade, intensidade dos ventos, umidade do meio e etc.

Fatores bióticos: são os organismos, organizados de acordo com o tipo de nutrição que têm em níveis tróficos, tendo em vista que em qualquer ecossistema há um fluxo de energia potencial química e um ciclo da massa das moléculas constituintes dos organismos. Uma espécie pode se alimentar ou servir de alimento para outra e assim, transfere matéria (massa + energia) em um ecossistema.

Para os organismos de um ecossistema, há também os conceitos de habitat e nicho ecológico: o habitat é basicamente o local que uma espécie ocupa, com os seus componentes bióticos e abióticos. O nicho compreende uma descrição de quais funções esse organismo ocupa no ecossistema, por exemplo, como, quando e com quais outros organismos e fatores físicos uma determinada espécie interage. Muitas vezes se refere ao nicho de uma espécie como sendo a sua “profissão” (e, no geral, a analogia funciona bem).

Na imagem temos um urso polar e uma foca, cada espécie ocupa um determinado nicho no ecossistema. O urso, por exemplo, é o predador da foca, que, por sua vez, preda outras espécies de organismos.

Geralmente, em um mesmo ecossistema, admite-se que quando duas ou mais espécies ocupam o mesmo nicho há competição entre elas, o que poderia, inclusive, levar à exclusão de uma das espécies do ecossistema. Porém, sabe-se que em muitos ecossistemas os nichos são particionados, como por exemplo, vários herbívoros podem se alimentar da mesma espécie vegetal em períodos/estações diferentes do ano.

Na imagem vemos que essas várias espécies de pássaros habitam o mesmo lugar, mas ocupam nichos diferentes, então evitam a competição. Um mesmo ecossistema pode prover várias oportunidades de nichos diferentes.

Nessa imagem vemos que caso sejam cultivadas separadamente, as duas espécies de Paramecium, P. aurelia e P. caudatum, prosperam. Porém, como mostrado no gráfico da parte de baixo, se ambas as espécies forem cultivadas no mesmo recipiente, por conta de ocuparem o mesmo nicho, P. aurelia compete e elimina P. caudatum do sistema por conta de ambas as espécies ocupem o mesmo nicho.

Ainda no âmbito do nicho, podemos organizar os organismos em níveis hierárquicos de nutrição, os chamados níveis tróficos, onde um organismo pertencente ao nível de cima pode se alimentar dos que pertencem ao nível anterior:

1° nível trófico: são os organismos chamados de produtores. São os autótrofos, como os fotossintetizantes, que produzem a matéria orgânica que serve de alimento a eles e também aos organismos heterótrofos do ecossistema.

2° nível trófico: chamados de consumidores primários, são organismos herbívoros ou onívoros, heterótrofos, que se alimentam dos produtores.

3° nível trófico: chamados de consumidores secundários, são, geralmente, organismos heterótrofos, predadores dos consumidores primários. Os níveis tróficos seguintes seguem essa mesma lógica.

Além dos níveis tróficos mostrados em sequência, há também os decompositores: organismos heterótrofos, normalmente bactérias e fungos, capazes de se alimentar dos produtos da decomposição dos outros organismos do ecossistema, ou então, dos dejetos deles, e liberar para o ecossistema as substâncias e os sais minerais que podem ser utilizados pelos organismos produtores (1° nível trófico). Ou seja, atuam na reciclagem química em um ecossistema. É um processo que degrada as moléculas orgânicas complexas e gera CO₂, água e nutrientes inorgânicos como os sais.

OBS: o besouro mostrado na imagem, e também os animais como as minhocas, por exemplo, não são decompositores, são detritívoros.

O metabolismo dos organismos depende da energia potencial química armazenada na estrutura e nas ligações covalentes das substâncias orgânicas, que, como vimos, em grande parte são sintetizadas pelos organismos autótrofos. As relações alimentares entre os organismos dos diversos níveis tróficos em um ecossistema podem ser mostradas em esquemas chamados de cadeias e teias alimentares. Esses esquemas representam as relações alimentares entre os organismos que correspondem aos diferentes níveis tróficos de um ecossistema com o intuito de se mostrar o fluxo unidirecional da energia e o ciclo da massa (o material constituinte dos organismos). Tanto as cadeias quanto as teias são iniciadas pelos organismos produtores (o 1º nível trófico).

As cadeias representam uma sequência direta do fluxo material, ao passo que as teias representam as interações entre os organismos de cadeias diferentes, entrelaçando-as. É comum que uma mesma espécie participe de mais de uma cadeia alimentar e possa atuar em níveis tróficos distintos. Normalmente as teias são estabelecidas graças a muitos anos de co-evolução dos organismos participantes, de forma que podem vir a atingir o equilíbrio ecológico, a situação na qual todos os produtores, consumidores e decompositores se encontram nas proporções ideais, inclusive com os fatores abióticos. Os fatores capazes de alterar as composições das teias podem gerar desequilíbrios de magnitudes diversas.

Na imagem é mostrada uma cadeia alimentar terrestre simples. Não são mostrados os organismos decompositores.

Nessa outra imagem de cadeia alimentar são mostrados os organismos decompositores, note, porém, que a minhoca não é um deles, é um detritívoro! Imagem: http://clipart-library.com/decomposer-cliparts.html

Um exemplo de cadeia alimentar em um ambiente aquático. Perceba que, o homem não é aquático, mas a presença dele na imagem serve para lembrar que as cadeias alimentares não necessariamente precisam estar restritas apenas a um tipo de ambiente. Uma ave que pouse na água do mar pode ser predada por um tubarão, mas essas mesmas aves podem predar os peixes na água do mar. http://www.lakegastonguide.com/?q=node/31

Exemplo de teia alimentar simplificada. Nesse exemplo a raposa pode atuar como consumidor terciário ou secundário (quarto e terceiro níveis tróficos). Imagem: https://www.nature.com/scitable/knowledge/library/food-web-concept-and-applications-84077181

Um exemplo interessante sobre o que os desequilíbrios nas interações entre os organismos podem causar é o fato de os mosquitos do gênero Aedes terem passado a se multiplicar com facilidade no ambiente urbano, transmitindo arbovírus e doenças, como a dengue, zika e chikungunya para os habitantes das cidades.

Um mesmo organismo pode pertencer a níveis tróficos distintos, dependendo de qual cadeia alimentar participa. Por exemplo, um onívoro pode participar como consumidor primário, caso se alimente de um produtor, mas também pode ser um consumidor secundário, quando se alimenta de um consumidor primário. Nós, por exemplo, podemos nos alimentar tanto de milho, quanto de galinhas, que também se alimentam de milho.

O número de níveis tróficos em um ecossistema é limitado e dificilmente passa do consumidor quaternário (5° nível trófico), pois a energia potencial química disponível no ecossistema diminui na medida em que vai sendo transferida de um nível trófico ao outro. A energia potencial química é armazenada na estrutura de uma molécula, a forma como os seus elementos estão ligados e dispostos, ou, de forma ainda mais simples, a energia potencial química é a energia armazenada nas ligações covalentes de uma molécula.

As pirâmides ecológicas são diagramas que consistem de retângulos empilhados e servem para mostrar como as quantidades de energia, biomassa e números de indivíduos variam nos níveis tróficos do ecossistema (além dos retângulos, outras figuras geométricas similares podem ser empregadas). Cada nível trófico é representado por um retângulo, sendo que o retângulo da base representa o primeiro nível trófico (os produtores). A largura da base de cada retângulo indica um valor, dependendo do tipo de pirâmide:

Pirâmide de números: os retângulos indicam os números de indivíduos em cada nível trófico. Como há casos nos quais, por exemplo, um grande produtor, como uma árvore, pode prover alimento a vários consumidores primários ou um mamífero grande pode prover alimento a vários animais parasitas, nem sempre as pirâmides de números têm o formato de pirâmide, elas podem ser invertidas.

Pirâmide de biomassa: os retângulos indicam a biomassa ou matéria orgânica presente em cada nível trófico. Normalmente essas pirâmides têm o formato convencional, porém, os ecossistemas aquáticos são uma exceção. As pirâmides de biomassa aquáticas são invertidas pois, os produtores, o fitoplâncton, são organismos que têm pouca biomassa, mas se multiplicam rápido. Além disso, a massa é aproveitada rapidamente pelo zooplâncton.

Pirâmide de energia: os retângulos indicam a energia disponível em um nível trófico (lembre-se: estamos falando da energia potencial química). Acredita-se que essas pirâmides sejam a melhor maneira de indicar a transferência de matéria (massa e energia) em um ecossistema. Essas pirâmides nunca são invertidas: o fluxo de energia é unidirecional e, de um nível trófico para o outro, a quantidade de energia transferida para o nível trófico seguinte sempre é menor, pois em um nível trófico há perdas na forma de calor, manutenção do próprio organismo, dejetos liberados e etc., que não podem ser reutilizadas pelos organismos. Acredita-se que a quantidade de energia que um organismo transfere para o próximo nível trófico na cadeia alimentar corresponda a 10 % daquilo que recebeu do nível trófico anterior. Lembre-se: de acordo com a 1ª lei da termodinâmica, a energia pode ser convertida de um tipo em outro, mas não pode ser criada ou destruída.

Fluxo energético no ecossistema:

Como vimos, a energia flui de maneira unidirecional no ecossistema, ao longo dos níveis tróficos. O primeiro nível trófico é o dos produtores, os organismos autótrofos, e os outros níveis tróficos correspondem aos organismos heterótrofos. Para os organismos autótrofos, há o conceito de produtividade. A produtividade é a quantidade de matéria orgânica produzida por unidade de tempo:

Produtividade primária bruta: é a quantidade total de biomassa produzida pelos autótrofos (os produtores, o primeiro nível trófico) via fotossíntese ou quimiossíntese. Parte dessa biomassa é utilizada na manutenção do próprio organismo (como no processo de respiração), parte é perdida e o que resta é incorporado ao organismo do autótrofo.

Produtividade primária líquida: é a parcela da produtividade primária bruta que foi incorporada ao organismo do autótrofo e está efetivamente disponível para o nível trófico seguinte, correspondente aos organismos heterótrofos. A PPL = PPB – respiração. A porção da PPL não consumida pelos herbívoros é decomposição. Podemos dizer que a produtividade líquida (sem ser a primária!) é aquela que se refere aos outros níveis tróficos e está disponível para os níveis seguintes.

Normalmente, a produtividade é expressa em kcal/m²/ano (unidade de energia/área/tempo).

Ao ingerir uma planta, por exemplo, um herbívoro não aproveita ou incorpora toda a biomassa da planta. Parte é perdida nas fezes e na urina e parte da energia é perdida na forma de calor, por conta da respiração e dos processos metabólicos. Assim, vemos que a quantidade de energia que um autótrofo armazenou em sua biomassa vai decaindo de um nível trófico para o próximo, explicitando como o fluxo de energia é unidirecional.

Imagem mostrando um diagrama da energia disponível em cada nível trófico. Estima-se que apenas 10 % da energia seja transferida de um nível para o próximo.

Damos o nome de produtividade secundária à quantidade de biomassa produzida pelos heterótrofos. Os heterótrofos não conseguem sintetizar todas as substâncias orgânicas que lhes servem de alimento, porém podem aumentar em biomassa ao sintetizarem, por exemplo, as proteínas que aumentam a massa muscular. 

REFERÊNCIAS:

As referências básicas dessa série sobre ecologia são:

Lopes, L. & Rosso, S. BIO: Volume Único. Saraiva. 3ª ed. 2013.
Thompson, M. & Rios, EP. Conexões com a Biologia. Vol. 1. Moderna. 2ª ed. 2016.
Townsend, CR., Begon, M., Harper, JL. Fundamentos em Ecologia. 3ª ed. Artmed. 2010.
Urry, LA. et al. Biology. 11th ed. Pearson. 2016. 

As restantes serão informadas na parte final sobre esse assunto.