Ecologia 05 - Os ciclos biogeoquímicos

AULA 05 – OS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

Maximiliano Mendes

São ciclos de massa e energia entre os organismos e os componentes abióticos dos ecossistemas. A ocorrência desses ciclos é essencial para que haja a manutenção dos ecossistemas, tendo em vista que, se por um lado um ecossistema é mantido por uma entrada constante de energia e produção primária, por outro lado, a massa orgânica está presente em quantidades limitadas, por isso, tem de ser reciclada.

Normalmente estudamos os ciclos de alguns elementos químicos e/ou moléculas importantes. Vejamos alguns dos principais:

Ciclo da água: a maior parte da massa de um organismo é constituída de água e ela constitui o solvente onde as reações metabólicas ocorrem. A água evapora, tanto do meio quanto dos organismos e retorna à superfície por meio das precipitações, ou seja, muda de estado físico no ciclo. É bom destacar que apenas 1 % do total da água do planeta é adequada para o consumo humano.

O ciclo da água, de maneira simples. Nessa imagem não são mostrados os animais, porém, assim como as plantas, eles também perdem água via transpiração.

Imagem: https://www.conservationinstitute.org/water-cycle/

Lembre-se de que podemos alterar e perturbar o ciclo da água de formas diversas, uma das quais é liberando um excesso de dejetos na água que utilizamos. Logo, após a utilização, seja no uso doméstico ou na irrigação de plantios, a água deve ser adequadamente tratada antes de ser devolvida ao ambiente, caso contrário pode vir a poluir os corpos d’água.

Ciclo do carbono: o carbono é assimilado pelos organismos através de processos como a fotossíntese, capaz de utilizar o CO₂ como fonte de carbono para a síntese de substâncias orgânicas. O carbono pode retornar ao meio na forma de CO₂, produto da respiração e da decomposição, porém, também pode retornar como CO₂ e CO produtos da combustão completa e da incompleta. Normalmente, os processos de combustão das atividades industriais ou da queima em motores retornam o carbono de maneira muito mais rápida para a natureza, podendo gerar desequilíbrios, como o que estamos vendo agora, referente às mudanças climáticas, tendo em vista que o CO₂ é um gás estufa (veremos mais sobre esse assunto posteriormente).

O ciclo do carbono. Imagem: https://www.solarschools.net/knowledge-bank/climate-change/carbon-cycle

Ciclo do oxigênio: a maior parte do oxigênio constituinte da atmosfera é proveniente do processo fotossintético e, na fotossíntese, o oxigênio vem das moléculas de água.

Imagens mostrando o ciclo do oxigênio.

Fontes:

https://www.exploringnature.org/db/view/Oxygen-Cycle-Description-and-Assessment

https://www.britannica.com/science/oxygen-cycle/images-videos/media/1/436952/126790

Ciclo do nitrogênio: esse é o que tem mais detalhes de interesse. o N₂ é um gás que constitui aproximadamente 79 % da atmosfera. Ele é assimilado pelas bactérias fixadoras de nitrogênio e é retornado ao meio pelas bactérias desnitrificantes. O processo de fixação é capaz de converter o N₂ atmosférico em nitritos (NO₂^-) e depois em nitratos (NO₃^-). Esses íons nitrogenados são absorvidos pelas plantas e utilizados pra sintetizar as suas substâncias orgânicas, que também podem ser ingeridas pelos organismos heterótrofos. O nitrogênio é liberado de volta para o meio por conta do processo de decomposição, da excreção dos animais e pela ação de bactérias desnitrificantes.

O ciclo do nitrogênio. Imagem: https://ib.bioninja.com.au/options/option-c-ecology-and-conser/c6-nitrogen-and-phosphorus/nitrogen-cycle.html

As bactérias nitrificantes, dos gêneros Nitrosomonas e Nitrobacter são organismos quimiossintetizantes que atuam na conversão da amônia em nitritos e dos nitritos em nitratos. Essas reações liberam energia para as reações de síntese.

Nitrosomonas: NH₄⁺ + O₂ à NO₂^- (nitrito) + energia potencial química

Nitrobacter: NO₂^- + O₂ à NO₃^- (nitrato) + energia potencial química

Aplicado ao ciclo do nitrogênio, há o processo de adubação verde e rotação de culturas, no qual se plantam leguminosas e, após a colheita, outros tipos de plantas, mas antes trituram-se as leguminosas e se adicionam elas ao solo para aumentar a fertilidade e o teor de nitrogênio. O uso das leguminosas é possível pois elas têm, associadas às suas raízes, bactérias fixadoras de nitrogênio que formam nódulos.

Nódulos nas raízes de planta leguminosa.

Imagem: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Medicago_italica_root_nodules_2.JPG

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.

Minigame: Peixe vs. Esquistossomose

Minigame feito no Scratch. Aos poucos vou atualizando e refinando. Quem puder comentar lá na página do Scratch mesmo, sobre possíveis melhorias, fico muito agradecido.

http://scratch.mit.edu/projects/51108746/#player

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A água: propriedades e importância para os organismos

ÁGUA: PROPRIEDADES E IMPORTÂNCIA PARA OS ORGANISMOS

Maximiliano Mendes

Sem água a vida como conhecemos não poderia existir. Essa molécula é tão importante que só um dia de falta d’água na vizinhança é capaz de tirar muita gente do sério: a nossa hidratação e a nossa higiene podem ficar comprometidas e pior ainda é saber que há conflitos no oriente médio e na Ásia central pelo controle de fontes de água.  E por que a água é tão essencial? Por conta das suas propriedades físico-químicas (cor, ponto de fusão, opacidade, calor de combustão, viscosidade, pH e etc). Essas são as propriedades que nos permitem identificar e saber mais sobre a natureza da substância. Vejamos mais sobre ela:

Cerca de 70 % da superfície do planeta é coberta por água e acredita-se que a vida tenha surgido no ambiente aquático. Isso contribui para que ela seja uma molécula tão essencial para os organismos até hoje. A maior parte da massa de um ser vivo é constituída de água, de 70 – 80 % (o percentual pode variar de acordo com o tipo de tecido, sendo de aproximadamente 20 % no tecido ósseo e por volta de 85 % para o tecido nervoso cerebral). Além disso, as reações metabólicas ocorrem em meio aquoso, pois a água é um solvente (comentaremos mais sobre isso adiante).

A fórmula molecular da água é H₂O e sua estrutura pode ser vista na figura abaixo:

Vemos que a molécula de água não é linear, como o CO2, ela é angular e o átomo de oxigênio é mais eletronegativo que o de hidrogênio, então, na molécula de água ele atrai os elétrons compartilhados nas ligações covalentes com maior intensidade, de forma que fica com uma densidade eletrônica maior e carga parcial negativa (δ^-), visto que os elétrons têm carga negativa. Ao mesmo tempo, por terem seus elétrons atraídos pelo oxigênio, os hidrogênios ficam com carga parcial positiva (δ⁺) (é como se a tendência fosse eles perderem cargas negativas). Por conta disso, a molécula de água é polar: têm um polo (região) negativo e um polo positivo, resultantes da distribuição eletrônica desigual, como se pode ver na figura acima. Lembre-se de que nas ligações covalentes os elétrons são compartilhados e não doados ou recebidos como nas ligações iônicas, por isso as cargas são parciais.

Em decorrência de sua polaridade e estrutura, a molécula de água pode formar ligações de hidrogênio entre si e com outras moléculas polares. A ligação de hidrogênio é uma interação na qual um átomo bastante eletronegativo, com carga parcial negativa, atrai para si um hidrogênio com carga parcial positiva de uma molécula vizinha. Cada molécula de água pode formar até quatro ligações de hidrogênio: duas para cada átomo de hidrogênio (δ⁺) e duas para cada par de elétrons livres do oxigênio (δ^-). No Estado sólido as moléculas de água estão dispostas de modo que formam quatro ligações de hidrogênio umas com as outras e disso decorre que ficam mais afastadas. Assim, a água no estado sólido é menos densa que a água no estado líquido, por isso o gelo boia na água.

Graças às ligações de hidrogênio, as moléculas de água tendem a se manter unidas, coesas, e podem formar uma “película” na superfície em contato com o ar, por isso alguns insetos conseguem andar na superfície da água sem afundar, pois a força peso que exercem sobre a superfície da água não é o bastante para romper essa película (note que esses insetos não estão boiando sobre a superfície da água!). Acredita-se que o transporte de seiva bruta nas plantas só é possível por conta das forças de coesão, de modo que podem, por capilaridade, ascender no xilema. 

Ainda devido às suas propriedades físico-químicas, a água pode atuar como solvente. Um solvente é uma substância que atua separando agregados ou cristais de outras substâncias. Ao conjunto solvente mais substância ou composto iônico dissolvido damos o nome de solução. Às substâncias ou íons dissolvidos no solvente, ou seja, em solução, damos o nome de solutos. Por exemplo, a água pode dissolver um cristal de sal de cozinha (NaCl) ao interagir e separar os íons componentes, o Na⁺, que interage com o oxigênio de carga parcial negativa, e o Cl^-, que interage com os hidrogênios de carga parcial positiva.

As substâncias podem ser classificadas em dois tipos, de acordo com sua afinidade pela molécula de água:

• Hidrofílicas: são moléculas polares, têm afinidade pela água e podem ser dissolvidas em água. Ex: os glicídios.
• Hidrofóbicas: são moléculas apolares, não têm afinidade pela água e não se dissolvem na água. Os principais exemplos são os lipídios.

A água também está envolvida em diversas reações químicas que ocorrem dentro das células, sendo basicamente:

• Desidratação: a água é produto da reação. Exemplo: A + B --> C + H₂O
• Hidrólise: a água é reagente na reação. Exemplo: D + H₂O --> E + F

Outra função importante da água, que também se deve às suas propriedades físico-químicas, é a de moderadora da temperatura do organismo: ela previne variações bruscas de temperatura. Os motivos pelos quais ela é capaz de atuar dessa forma são:

• Calor específico elevado: É difícil esquentar ou esfriar a água.
• Calor latente de vaporização elevado: Ela “rouba” bastante calor quando evapora, pois para isso é preciso romper as ligações de hidrogênio. Graças a isso pode resfriar o organismo e evitar o superaquecimento.
• Calor latente de fusão elevado: A água tem de liberar muito calor para congelar, ou seja, não congela facilmente.

Atenção para as definições:

• Calor específico: quantidade de calor que um grama de uma substância deve absorver para elevar sua temperatura em 1° C, sem que haja mudança de estado físico.
• Calor latente de vaporização: quantidade de calor absorvida durante a vaporização de uma substância em seu ponto de ebulição.
• Calor latente de fusão: quantidade de calor necessária para transformar um grama de uma substância no estado sólido para o estado liquido, na temperatura de fusão.

Referências:

Amabis & Martho. Biologia das Células. Moderna. 2010.

Campbell, Reece et al. Biologia. 8ª ed. Artmed. 2010.

http://en.wikipedia.org/wiki/Animal_locomotion_on_the_water_surface

http://en.wikipedia.org/wiki/Water_conflict

http://apod.nasa.gov/apod/ap120515.html
http://www.iun.edu/~cpanhd/C101webnotes/matter-and-energy/properties.html

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