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.

O TRIFOSFATO DE ADENOSINA (ATP) E A ENERGIA

O TRIFOSFATO DE ADENOSINA (ATP) E A ENERGIA

Maximiliano Mendes

Para que possam sobreviver, os sistemas vivos, como as células e os ecossistemas, precisam de uma entrada constante de energia. Podemos definir energia como a capacidade de gerar mudança, rearranjar massa ou realizar trabalho. O trabalho é a movimentação de massa contra forças opositoras. No caso das células, há a realização de trabalho quando ocorrem sínteses anabólicas, movimentos celulares diversos, manutenção e reparo de certos componentes, transporte ativo através da membrana e etc.

O trifosfato de adenosina (ATP) é um nucleotídeo capaz de armazenar e transferir energia potencial química que pode ser utilizada no sentido de permitir a ocorrência de certos fenômenos celulares. É, inclusive, apelidado de “moeda energética”, capaz de “pagar” para que esses fenômenos sejam realizados. Bons exemplos são a contração muscular e o transporte ativo de solutos através da membrana.

O ATP pode ser gerado com o uso da adenosina difosfato (ADP), um fosfato inorgânico (Pi) e a energia liberada em reações de oxidação-redução, que são aquelas nas quais há a transferência de elétrons entre elementos químicos.

Essa energia liberada pode ser utilizada para sintetizar o ATP: ADP + Pi + energia --> ATP.

A energia potencial química é aquela armazenada graças à estrutura da molécula, que se refere à forma como os seus átomos estão organizados e ligados. O ATP armazena esse tipo de energia nas ligações covalentes entre os grupos fosfatos, pois, dentre outros motivos, os grupos fosfatos têm cargas negativas, logo, tendem a se repelir (veja a figura da estrutura do ATP acima).

Assim, a quebra ou hidrólise do ATP em ADP e Pi é favorável e é exergônica, ela libera energia para que outras reações, desfavoráveis e endergônicas possam acontecer.

ATP + H₂O --> ADP + Pi

ΔG°′ = −30.5 kJ/mol (ou −7.3 kcal/mol)

O ΔG é a variação na energia livre de Gibbs, que, de forma simplificada, é a energia útil de um sistema disponível para se realizar trabalho. Os valores negativos indicam que a reação de hidrólise do ATP é espontânea e houve a liberação de energia.

É comum que, nas células, haja o acoplamento de uma reação espontânea (como a quebra do ATP) com uma não espontânea, por isso dizemos que o ATP pode atuar como moeda energética, permitindo a ocorrência desses processos e reações.

Um exemplo de como o ATP atua é transferindo um grupo fosfato para alguma máquina proteica e, assim, transferindo energia para que ela possa realizar trabalho ao sofrer mudanças na estrutura terciária (a conformação espacial). É o caso, por exemplo, do transporte ativo:

A imagem mostra um exemplo de como o transporte ativo pode ocorrer:

1: há a transferência de um grupo fosfato e energia do ATP para a bomba proteica e isso faz com que ela sofra mudança de conformação (mudança na estrutura terciária) de maneira que passa a ter afinidade pelo soluto a ser transportado.

2: o soluto se liga em um sítio específico na bomba, ela perde afinidade pelo grupo fosfato ligado e sofre nova mudança de conformação, posicionando o soluto no lado da membrana para onde ele será transportado.

3: o soluto se desliga da bomba e é, enfim, transportado.

4: após o desligamento do soluto, a bomba volta para a conformação inicial, pronta para o próximo transporte.

Há trabalho, pois há movimentação de massa contra forças opositoras (o próprio transporte ativo) e mudança e reorganização da estrutura da bomba proteica.

Outro exemplo que convém conhecer é o da bomba de sódio e potássio:

Referências:

Tymoczco, Berg & Stryer. Biochemistry: a short course. 3rd ed. WH Freeman & Company. 2015.

https://www.britannica.com/science/adenosine-triphosphate

https://brasilescola.uol.com.br/quimica/energia-livre-gibbs.htm

NADH, FADH2 e NADPH - Coenzimas do metabolismo energético

Coenzimas importantes envolvidas nas reações de oxidação-redução dos processos do metabolismo energético.

Maximiliano Mendes 

Essa postagem é um complemento aos outros materiais que já disponibilizei sobre o assunto, aqui nesse blog e no Youtube:

http://maxaug.blogspot.com.br/2012/05/fermentacao.html

http://maxaug.blogspot.com.br/2012/05/respiracao-celular-simplificada.html

http://maxaug.blogspot.com.br/2012/05/fotossintese-simplificada-e-resumida.html

Além da Coenzima A mencionada, há outras coenzimas importantes envolvidas nos processos do metabolismo energético e, dependendo da forma como o seu professor ensina e cobra esse conteúdo, é bom que você tenha uma noção sobre algumas delas. Essas coenzimas são responsáveis por captar os elétrons de alta energia liberados nas reações de oxidação (são reduzidas). Depois, elas transferem esses elétrons de alta energia (sofrem oxidação) para outras substâncias, como as bombas de íons H⁺ localizadas nas membranas internas das mitocôndrias e enzimas do ciclo de Calvin-Benson na fotossíntese. São elas:

NAD – Dinucleotídeo de nicotinamida e adenina.

NAD⁺ + H⁺ + 2 e^- -> NADH (forma reduzida).

O NADH transfere os elétrons de alta energia e, com isso, energia, para o primeiro dos três complexos proteicos localizados na membrana interna das mitocôndrias, responsável por bombear H⁺ para o espaço intermembranar.

Quantidades geradas por molécula de glicose:

Glicólise: dois.

Formação de acetil-CoA: dois.

Ciclo de Krebs: seis.

Para cada NADH, estima-se que podem ser gerados três ATPs na fosforilação oxidativa.

FAD – Dinucleotídeo de flavina e adenina.

FAD + 2H⁺ + 2 e^- -> FADH₂ (forma reduzida).

Os elétrons de alta energia do FADH₂ serão transferidos para o segundo complexo proteico bombeador de íons H⁺ nas membranas internas das mitocôndrias. Assim, ao contrário dos elétrons fornecidos pelo NADH, que passam pelas três bombas de H⁺, os do FADH₂ passam por duas. Por isso, às vezes se lê que os elétrons do FADH₂ têm menos energia ou algo do tipo.

Quantidades geradas por molécula de glicose:

Ciclo de Krebs: dois.

Para cada FADH₂, estima-se que podem ser gerados dois ATPs na fosforilação oxidativa.

NADP – Dinucleotídeo de adenina e nicotinamida fosfato.

NADP⁺ + H⁺ + 2 e^- -> NADPH (forma reduzida).

Os elétrons de alta energia do NADPH serão utilizados por enzimas que fazem parte do ciclo de Calvin-Benson (ciclo das pentoses) na fase de fixação do carbono da fotossíntese (“fase escura”).

Quantidades geradas:

Fase clara da fotossíntese: a quantidade gerada depende de diversos fatores, como a intensidade luminosa. De qualquer forma, para ter uma noção, uma equação simplificada e balanceada da fase clara pode ser a seguinte:

2 H₂O + 2 NADP⁺ + 3 ADP + 3 Pi + energia luminosa -> 2 NADPH + 2 H⁺ + 3 ATP + O₂

Equações simplificadas:

Para constar, eis aqui as equações simplificadas dos processos:

Respiração celular:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ -> 6 CO₂ + 6 H₂O + Energia

Glicólise:

Glicose (C₆H₁₂O₆) + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 Pi -> 2 Piruvato (C₃H₄O₃) + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 ATP + 2 H₂O

Formação de Acetil Coenzima A:

Piruvato (C₃H₃O₃^-) + NAD⁺ + Coenzima A -> CO₂ + NADH + H⁺ + Acetil (C₂H₃O)-Coenzima A

Ciclo de Krebs (ou do ácido cítrico):

Acetil-Coa + Oxaloacetato (C₄H₂O₅^-2) + 3 NAD⁺ + GDP + Pi + FAD + H₂O -> Oxaloacetato + 3 NADH + FADH₂ + GTP + 2 CO₂

Fermentação alcoólica:

Piruvato + NADH -> CO₂ + Etanol +NAD⁺

Lembrar que, para cada molécula de glicose, a glicólise gera duas moléculas de ácido pirúvico e duas de ATP.

Fermentação láctica após a glicólise:

Piruvato + NADH -> Lactato + 2 NAD⁺

Lembrar que, para cada molécula de glicose, a glicólise gera duas moléculas de ácido pirúvico e duas de ATP.

Fotossíntese:

6 CO₂ + 6 H₂O + Energia luminosa -> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Fase clara ou etapa fotoquímica:

2 H₂O + 2 NADP⁺ + 3 ADP + 3 Pi + energia luminosa -> 2 NADPH + 2 H⁺ + 3 ATP + O₂

Fase escura, ou fase de fixação do carbono:

3 CO₂ + 9 ATP + 6 NADPH -> C₃H7O₃-fosfato (gliceraldeído-3-fosfato) + 9 ADP + 8 P_i + 6 NADP⁺

Vídeo legal sobre o ciclo de Calvin:

http://ed.ted.com/lessons/nature-s-smallest-factory-the-calvin-cycle-cathy-symington

(Tem legendas em língua portuguesa).

Também para constar, aqui vão duas figuras das cadeias de transporte de elétrons e fosforilações oxidativas, a da respiração/mitocondrial em cima e a da fotossíntese/cloroplastos em baixo:

Referências:

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

Voet & Voet. Bioquímica. 4ª Ed. Artmed. 2013.

Nelson & Cox. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 6ª Ed. Artmed. 2014.

http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/
Wikipédia em língua inglesa

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Ecologia 01 - Fluxo de matéria e energia nos ecossistemas

Fluxo de matéria e energia nos ecossistemas (Ecologia 01)

Maximiliano Mendes - 2014

Ecologia, no âmbito da biologia, é o estudo (logos) da casa (oikos). Essa casa, basicamente, é o planeta terra. Já a economia, campo de estudos que tem sido bastante considerado no âmbito da biologia, é o manejo (nomos) da casa.

A ecologia consiste no estudo científico das interações entre os seres vivos e o ambiente físico. Esse estudo normalmente se dá em nível de populações, comunidades e ecossistemas, ou seja, níveis hierárquicos de organização biológica superiores ao organismo. Como pesquisam os ecossistemas, os estudos ecológicos podem incluir também o ambiente físico. Os elementos físicos e químicos do meio são chamados fatores abióticos, ao passo que aqueles referentes aos organismos são os chamados fatores bióticos. Como exemplo, se considerarmos um lago como o nosso ecossistema, os peixes e os outros organismos, mais as interações entre eles, são os fatores bióticos, ao passo que a temperatura da água, concentração de certas substâncias na água, grau de turbidez e outros, são fatores abióticos. Os fatores bióticos e abióticos interagem e são influenciados uns pelos outros.

Na imagem temos um exemplo de ecossistema aquático: um aquário! Apesar de ser um ecossistema artificial, projetado pelo homem, possui componentes bióticos, como os peixes, as plantas e os micro-organismos, e também os constituintes abióticos, como a intensidade da luz, a presença de substâncias químicas dissolvidas na água, a presença de terra como substrato e outros. Esses componentes bióticos e abióticos interagem entre si. Por exemplo, as plantas e algas precisam de energia luminosa para realizar a fotossíntese e esse processo permite que haja a liberação de O₂ para a água, o que permite a respiração dos outros organismos. Imagem: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fish_tank_%282%29.jpg

Habitat e nicho ecológico:

Habitat é o local onde uma espécie se encontra normalmente na natureza (onde ela habita), já o nicho ecológico é o conjunto de interações que essa espécie tem com as outras e com o ambiente físico, pode ser o seu papel ecológico em um ambiente. De forma simples, o nicho é o trabalho da espécie e o habitat é onde ele mora. Exemplo: um Leão tem como habitat a savana africana e o seu nicho é de predador (consumidor).

O urso polar e a foca vivem em no habitat ártico. Quanto ao nicho, o urso é, entre outras coisas, predador da foca. Já a foca, não sinta tanta pena, também é predadora e mata peixes inocentes para poder viver.

Falando em consumidores, predação e tal...

Fluxo de matéria e energia em um ecossistema:

Um tipo de interação comum entre os seres vivos de um ecossistema é aquela na qual um organismo usa outro como alimento. Pra que essa crueldade? Os organismos são constituídos de matéria, então precisam de diversas substâncias para construir os seus corpos e também de energia para manter o seu metabolismo. Os herbívoros são animais que se alimentam de vegetais. Os vegetais dos quais os herbívoros se alimentam, por serem autótrofos, são chamados de produtores: produtores de substâncias orgânicas que servem de alimento para eles e para quem se alimenta deles. O herbívoro é um consumidor, pois se alimenta de outro organismo.

Os produtores correspondem ao que chamamos de primeiro nível trófico, pois, normalmente, são comidos por outros organismos (normalmente, pois uma planta carnívora, por exemplo, consegue utilizar outros organismos como alimento...). Os consumidores correspondem aos níveis tróficos seguintes, o segundo, o terceiro e aí por diante. Os herbívoros, por exemplo, correspondem ao segundo nível trófico e também são chamados consumidores primários (os onívoros também podem ser consumidores primários).

Então, a massa e a energia de um ecossistema são transferidas de um organismo para o outro por meio da alimentação, assim, dizemos que as sequências de organismos que se alimentam uns dos outros são chamadas cadeias alimentares. As cadeias incluem vários níveis tróficos e nelas há um fluxo de energia decrescente, mas que mantém a vida em um ecossistema.

Os organismos de um ecossistema, ao morrerem, sofrem a ação de outros, chamados decompositores, que são fungos e bactérias capazes de utilizar a matéria orgânica de um organismo morto e retornar substâncias inorgânicas mais simples para o ambiente. Os organismos chamados detritívoros, como as minhocas e alguns besouros que se alimentam de fezes não são decompositores, mas, como eles, alimentam-se de restos de outros organismos, como as fezes, diminuem ainda mais o tamanho das partículas e, assim, ajudam a acelerar o processo de decomposição. Tanto os decompositores quanto os detritívoros são saprotrofos, organismos que se alimentam de matéria orgânica morta, como os corpos, as folhas que caem das árvores, as fezes que até podem cair das árvores, mas vem de outro lugar e etc.

Como vários dos organismos podem participar de mais de uma cadeia alimentar, inclusive como consumidores de níveis tróficos distintos, um diagrama que mostre mais de uma cadeia alimentar interligada é chamado de teia alimentar.

Nessa teia alimentar simplificada, perceba que a serpente pode ser um consumidor secundário e também um consumidor terciário. O homem, o predador mais brutal de todos, pode ocupar qualquer nível trófico, menos o de produtor, claro.

O principal fornecedor de energia para a manutenção das cadeias alimentares na terra é o sol, que fornece energia luminosa para os organismos autótrofos fotossintetizantes. Mas há também outros fornecedores, como por exemplo, as fontes hidrotermais, que provêm CO₂ e sulfeto de hidrogênio (H₂S) para que algumas bactérias quimiossintetizantes utilizem essas substâncias em reações de oxidação e possam produzir as substâncias orgânicas que lhes servem de alimento. Os quimiossintetizantes, ao invés de se valerem da energia luminosa, utilizam a energia liberada em reações de oxidação-redução nas suas reações de síntese de substâncias orgânicas (quimiossíntese). A figura abaixo mostra uma dessas fontes hidrotermais.

Tanto a matéria quanto a energia de um sistema fechado não podem ser nem criadas e nem destruídas. Os ecossistemas terrestres são sistemas abertos e a energia para mantê-los vem de uma fonte externa ao sistema, como o sol (a fonte mais comumente mencionada), e sai do sistema na forma de calor liberado pelas reações metabólicas dos organismos. Essa energia pode ser transferida e transformada, porém, sempre diminui de um nível trófico para o outro. A massa presente em um ecossistema, ao contrário da energia, pode ser reciclada, como por exemplo, um átomo de carbono que faz parte de uma molécula de CO₂, depois de uma molécula de glicose e depois novamente do CO₂.

Nessa figura se mostra de maneira simplificada por onde podem passar os elementos químicos que constituem os organismos.

Assim, a transferência de energia, seja qual for a fonte, é unidirecional e parte é perdida de várias formas: o organismo não consegue absorver todos os nutrientes do alimento que ingere, ele usa parte da energia adquirida na manutenção do seu próprio metabolismo e também parte da energia é perdida na forma de calor. Estima-se que, em média (e para facilitar a sua vida no nível médio), apenas aproximadamente 10 % da energia de um nível trófico passa para o nível seguinte. Por exemplo: quando um gato come um rato, ele aproveita 10 % do total que, em teoria, o rato poderia ter lhe fornecido, pois o resto é perdido.

A figura mostra como a matéria (massa + energia) é perdida e decresce ao longo dos níveis tróficos.

Existem diagramas ilustrativos sobre as quantidades de biomassa, energia e números de indivíduos em uma cadeia alimentar, são as chamadas pirâmides. Biomassa é a quantidade de massa em um nível trófico, por unidade de área ou volume (nesse caso, para os ecossistemas aquáticos).

Quando se quer mostrar os números de indivíduos em cada nível trófico se utilizam as pirâmides de números, nas quais a base representa o primeiro nível trófico. Se o interesse for mostrar a quantidade de biomassa em cada nível trófico do ecossistema são utilizadas as pirâmides de biomassa.

Exemplos hipotéticos de pirâmides de números. Note que, nesses casos, nem sempre o número de indivíduos da base ou de um determinado bloco é maior. No exemplo da direita, uma árvore pode alimentar muitas cigarras.

Exemplos hipotéticos de pirâmides de biomassa. Dê atenção especial para essa do fitoplâncton, pois é um clássico.

Como é normal a base da figura ser o bloco mais largo e os blocos seguintes até o ápice irem ficando cada vez mais curtos, às vezes refletindo as perdas de energia ao longo da cadeia alimentar, adotou-se o nome de pirâmide para esse tipo de representação. Porém, é bom destacar que, como visto nas figuras, em certos casos os diagramas não apresentam um formato exatamente piramidal, pois a base pode ser mais estreita que o segundo bloco, como nos casos em que um produtor é capaz de sustentar muitos consumidores primários ou quando os produtores conseguem se multiplicar muito rápido e os consumidores primários se alimentam de um grande número deles (exemplo: fitoplâncton e zooplâncton nos ecossistemas aquáticos). Outro exemplo, similar, poderia ser o de um búfalo cheio de carrapatos malditos, que são predados por aves.

Uma garça procurando carrapatos crocantes nas costas de um búfalo.

As pirâmides de energia mostram a quantidade de energia potencial química disponível em cada nível trófico, sendo que a base também representa os produtores e os blocos seguintes os vários consumidores. Como o fluxo de energia é unidirecional, esse tipo de pirâmide sempre tem a base mais larga e o ápice mais curto, ou seja, sempre são pirâmides mesmo.

Pirâmides hipotéticas de energia. Note que, mesmo para o caso anteriormente citado das cadeias alimentares de ambientes aquáticos nos quais os números de organismos do fitoplâncton são menores que os do zooplâncton, ainda assim, a energia disponível no nível do fitoplâncton é maior que a energia disponível no zooplâncton.

Por fim, a quantidade de biomassa produzida pelos autótrofos, considerando certo período, área ou volume, é o que se chama de produtividade primária bruta (PPB). Produtividade primária líquida, PPL, é a PPB - R, onde R corresponde ao que os autótrofos consomem na respiração. Assim, a PPL corresponde ao que está disponível para os heterótrofos. O termo produtividade secundária se refere à produção de biomassa pelas reações anabólicas dos heterótrofos. A produtividade pode ser expressa em unidade de massa/unidade de área ou volume/unidade de tempo.

É também interessante notar que os ecossistemas com as maiores taxas de PPL são os aquáticos, em resumo, porque no caso dos ecossistemas terrestres, as plantas, que são os produtores apresentam grandes quantidades de tecidos ou mortos ou não fotossintetizantes, ao contrário dos principais produtores dos ecossistemas aquáticos, o fitoplâncton.

REFERÊNCIAS:

Amabis & Martho. Fundamentos da Biologia Moderna: Volume Único. Moderna. 2006.

Begon, Townsend & Harper. Ecology: from individuals to ecosystems. 4^th ed. Blackwell Publishing. 2006.

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

Linhares & Gewandsznajder. Biologia Hoje. 2ª ed. Ática. 2013. Vol. 3.
http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/science/add_ocr_gateway/green_world/decayrev1.shtml

http://oceanexplorer.noaa.gov/edu/learning/5_chemosynthesis/activities/chemovsphoto.html

http://scienceaid.co.uk/biology/ecology/food.html

http://www.nature.com/scitable/knowledge/library/secondary-production-13234142

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