O Ecossistema e como se relaciona com a Sustentabilidade

“Eu me guinchei à terra, para crescer da grama que amo;
Se você me quer novamente, procure por mim debaixo das suas bota-soles.”
– Walt Whitman

Nesta lição, vamos aprender as respostas às seguintes perguntas:

• O que é um ecossistema, e como pode westudy one?
• É a Terra um sistema aberto ou fechado com respeito à energia e elementos?
• Como definimos “ciclos biogeoquímicos”, e como eles são importantes para os ecossistemas?
• Quais são os principais controles das funções dos ecossistemas?
• Quais são os principais fatores responsáveis pelas diferenças entre os ecossistemas ao redor do mundo?

10/20/2017

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Introdução

Nas palestras anteriores aprendemos sobre a Terra e seu meio ambiente, e aprendemos sobre a diversidade da vida no planeta e sobre as interações ecológicas entre as espécies. Agora vamos combinar estes dois componentes básicos e considerar como o ambiente e a vida interagem nos “ecossistemas”. Mas antes disso devemos voltar a um tópico introduzido logo no início da aula, que é o da sustentabilidade e como a vemos em termos de ciência do sistema.

Sustentabilidade e Ciência de Sistemas – O exemplo de sustentabilidade usado no início da aula foi considerar que eu dou a todos um dólar cada vez que você vem à aula. A questão era: Isso é sustentável? Na palestra nós concordamos que mais informações eram necessárias para responder a essa pergunta. Por exemplo, precisávamos saber quanto dinheiro eu tenho, ou o “estoque” de dinheiro (por exemplo, se houvesse 100 alunos na sala de aula e eu tivesse um estoque de 100 dólares, isso funcionaria uma vez…). E se eu gastar dinheiro em outras coisas como comida? Qual é a “entrada” ou taxa de renovação ou “tempo de rotação” de dinheiro na minha conta bancária, em comparação com a rapidez com que consumo dinheiro? E se o tamanho da classe cresce porque a popularidade da classe aumenta? Logo vemos que este é um “sistema” que tem um ponto de equilíbrio que depende de muitas outras partes do “sistema”. Resolver este problema é um exemplo de “pensamento sistêmico”, e precisamos aprender como aplicá-lo à ciência e aos problemas de sustentabilidade.

Conceitos científicos, aplicados aos ecossistemas e à sustentabilidade.

Trabalhar através deste exemplo simples ilustra como a questão da sustentabilidade pode se tornar complexa. Contudo, o que também descobrimos é que em todos estes problemas existe um conjunto comum de conceitos e princípios científicos chave que iremos aprender a compreender neste curso – estes conceitos incluem o seguinte (mais tarde serão dados exemplos mais específicos):

Estoque em terra = a quantidade de material em uma “piscina”, como a quantidade de petróleo no solo ou gases de efeito estufa na atmosfera. “Em pé” refere-se à quantidade no momento atual (como o que é o estoque de árvores em pé na floresta neste momento).

Mass Balance = fazendo a pergunta “os números se somam? Se eu precisar de $100 cada aula para dar aos alunos, mas eu só tenho $1, então o balanço de massa está fora. Também podemos usar uma equação de balanço de massa para determinar como um sistema está mudando com o tempo (faremos isso em uma palestra posterior para gases de retenção de calor na atmosfera).

Material Flux Rate = a entrada ou saída de material de um sistema, como a quantidade de petróleo que bombeamos do solo a cada ano, ou a quantidade de gás de efeito estufa que bombeamos para a atmosfera a cada ano através da queima de combustíveis fósseis.

Tempo de Residência = o estoque em pé dividido pela taxa de fluxo, que fornece o tempo médio que os materiais gastos circulando em uma piscina – por exemplo, o tempo de residência do metano na atmosfera é de cerca de 10 anos.

Relações Negativas e Positivas = as reações negativas tendem a retardar um processo, enquanto as reações positivas tendem a acelerar um processo. Por exemplo, num mundo em aquecimento, as calotas de gelo vão derreter, o que reduz o albedo da Terra, retemos mais da energia térmica do sol, e isso acelera o aquecimento que, por sua vez, derrete mais calotas de gelo – isto é um feedback positivo.

O que é um Ecossistema?

Um ecossistema consiste na comunidade biológica que ocorre em algum local, e os factores físicos e químicos que compõem o seu ambiente não vivo ou abiótico. Há muitos exemplos de ecossistemas – uma lagoa, uma floresta, um estuário, um prado. Os limites não são fixados de nenhuma forma objectiva, embora por vezes pareçam óbvios, como acontece com a linha de costa de um pequeno lago. Normalmente os limites de um ecossistema são escolhidos por razões práticas que têm a ver com os objectivos do estudo em particular.

O estudo dos ecossistemas consiste principalmente no estudo de certos processos que ligam os componentes vivos, ou bióticos, aos componentes não vivos, ou abióticos. Os dois principais processos que os cientistas dos ecossistemas estudam são as transformações energéticas e a ciclagem biogeoquímica. Como aprendemos anteriormente, ecologia geralmente é definida como as interações dos organismos entre si e com o ambiente em que eles ocorrem. Podemos estudar a ecologia ao nível do indivíduo, da população, da comunidade e do ecossistema.

Estudos de indivíduos preocupam-se principalmente com a fisiologia, reprodução, desenvolvimento ou comportamento, e estudos de populações geralmente focalizam-se no habitat e nas necessidades de recursos de determinadas espécies, seus comportamentos de grupo, crescimento populacional, e o que limita sua abundância ou causa a extinção. Estudos de comunidades examinam como populações de muitas espécies interagem entre si, como predadores e suas presas, ou competidores que compartilham necessidades ou recursos comuns.

Na ecologia do ecossistema nós colocamos tudo isso junto e, na medida do possível, tentamos entender como o sistema funciona como um todo. Isto significa que, em vez de nos preocuparmos principalmente com determinadas espécies, tentamos focar nos principais aspectos funcionais do sistema. Estes aspectos funcionais incluem coisas como a quantidade de energia que é produzida pela fotossíntese, como a energia ou materiais fluem ao longo das muitas etapas de uma cadeia alimentar, ou o que controla a taxa de decomposição dos materiais ou a taxa a que os nutrientes (necessários para a produção de nova matéria orgânica) são reciclados no sistema.

Componentes de um ecossistemaVocê já está familiarizado com as partes de um ecossistema. A partir deste curso e do conhecimento geral, você também tem uma compreensão básica da diversidade de plantas e animais, e como plantas e animais e micróbios obtêm água, nutrientes e alimentos. Podemos esclarecer as partes de um ecossistema listando-as sob os títulos “abiótico” e “biótico”.

ABIOTICCOMPONENTES	>BIOTICCOMPONENTES
Sol	Primariprodutores
Temperatura	Herbívoros
Precipitação	Carnívoros
Humidade da água	Omnívoros
Química da água dos marinheiros (e.g., P, NO3, NH4)	Detritivores
etc.	etc.
Todos estes variam no espaço/tempo

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De um modo geral, este conjunto de componentes e semi-actores ambientais é importante em quase todo o lado, em todos os ecossistemas.

Usualmente, as comunidades biológicas incluem os “agrupamentos funcionais” mostrados acima. Um grupo funcional é uma categoria biológica composta por organismos que desempenham na sua maioria o mesmo tipo de função no sistema; por exemplo, todas as plantas fotossintéticas ou produtores primários formam um grupo funcional. A adesão ao grupo funcional não depende muito de quem são os verdadeiros atores (espécies), mas apenas da função que desempenham no ecossistema.

Processos dos Ecossistemas

Esta figura com as plantas, zebra, leão, etc., ilustra as duas principais idéias sobre como os ecossistemas funcionam: os ecossistemas têm fluxos de energia e os materiais do ciclo ecológico. Estes dois processos estão interligados, mas não são iguais (veja Figura 1).

Figure 1. Fluxos energéticos e ciclos materiais.

Energia entra no sistema biológico como energia luminosa, ou fótons, é transformada em energia química em moléculas orgânicas por processos celulares incluindo fotossíntese e respiração, e finalmente é convertida em energia térmica. Esta energia é dissipada, o que significa que é perdida para o sistema como calor; uma vez perdida, não pode ser transportada por berecycled. Sem a entrada contínua de energia solar, os sistemas biológicos desligar-se-iam rapidamente. Assim, a Terra é um sistema aberto com respeito à energia.

Elementos como carbono, nitrogênio ou fósforo entram nos organismos vivos de várias maneiras. Plantas obtainelements da atmosfera circundante, água, ou solos. Os animais também podem obter elementos diretamente do ambiente físico, mas geralmente os obtêm principalmente como conseqüência do consumo de outros organismos. Esses materiais são transformados bioquimicamente dentro dos corpos dos organismos, mas mais cedo ou mais tarde, devido à excreção ou decomposição, eles são devolvidos a um estado inorgânico (ou seja, material inorgânico como carbono, nitrogênio e fósforo, ao invés de esses elementos serem ligados em matéria orgânica). Muitas vezes as bactérias completam este processo, através do processo chamado decomposição ou mineralização (ver próxima palestra sobre micróbios).

Durante a decomposição estes materiais não são destruídos ou perdidos, portanto a Terra é um sistema fechado com respeito aos elementos (com exceção de um meteorito que entra no sistema de vez em quando…). Os elementos são ciclados infinitamente entre os seus estados biótico e abiótico dentro dos ecossistemas. Aqueles elementos cujo suprimento tende a limitar a atividade biológica são chamados nutrientes.

A Transformação de Energia

As transformações de energia num ecossistema começam primeiro com a entrada de energia do sol. A energia do sol é capturada pelo processo de fotossíntese. O dióxido de carbono é combinado com hidrogênio (derivado da divisão das moléculas de água) para produzir carboidratos (a notação curta é “CHO”). A energia é armazenada na ligação de alta energia do trifosfato de adenosina, ou ATP (ver palestra sobre fotossíntese).

O profeta Isaah disse “toda a erva fleshis”, ganhando-lhe o título de primeiro ecologista, porque praticamente toda a energia disponível para os organismos tem origem nas plantas. Por ser o primeiro passo na produção de energia para os seres vivos, chama-se primariprodução (clique aqui para uma cartilha sobre a fotossíntese). Os herbívoros obtêm a sua energia consumindo plantas ou produtos vegetais, os carnívoros comem herbívoros, e os detritivoros consomem os excrementos e carcaças de todos nós.

Figure 2 retrata uma simples cadeia alimentar, na qual a energia do sol, capturada pela fotossíntese das plantas, flui do nível trófico para o nível trófico através da cadeia alimentar. Um nível trófico é composto por organismos que vivem da mesma maneira, isto é, todos eles são produtores primários (plantas), consumidores primários (herbívoros) ou consumidores secundários (carnívoros). Os necrófagos, detritivoros e decompositores são coletivamente responsáveis pelo uso de todos esses “resíduos” – consumidores de carcaças e folhas caídas podem ser outros animais, como corvos e besouros, mas em última análise são os micróbios que finalizam o trabalho de decomposição. Não surpreendentemente, a quantidade de produção primária varia muito de lugar para lugar, devido às diferenças na quantidade de radiação solar e na disponibilidade de nutrientes e água.

Por razões que exploraremos mais completamente em palestras subsequentes, a transferência de energia através da cadeia alimentar é ineficiente. Isto significa que há menos energia disponível a nível herbívoro do que a nível do produtor primário, menos ainda a nível carnívoro, e assim por diante. O resultado é uma pirâmide de energia, com implicações importantes para a compreensão da quantidade de vida que pode ser suportada.

Usualmente quando pensamos em cadeias alimentares visualizamos plantas verdes, herbívoros, e assim por diante. Estas são referidas como cadeias alimentares grazer, porque as plantas vivas são directamente consumidas. Em muitas circunstâncias a principal fonte de energia não são as plantas verdes, mas sim a matéria orgânica morta. Exemplos incluem o chão da floresta ou um riacho numa área florestal, um pântano salgado e, mais obviamente, o fundo do oceano em áreas muito profundas onde toda a luz solar se extingue a 1000 metros acima. Em palestras subsequentes voltaremos a estas importantes questões relativas ao fluxo de energia.

Finalmente, apesar de termos beentalking sobre cadeias alimentares, na realidade a organização dos sistemas biológicos é muito mais complicada do que pode ser representado por uma simples “cadeia”. Existem muitos elos e cadeias alimentares em um ecossistema, e nos referimos a todos estes elos como uma teia alimentar. As teias alimentares podem ser muito complicadas, onde parece que “tudo está ligado a tudo o resto” (este é um importante ponto de partida desta palestra), e é importante entender quais são os elos mais importantes em qualquer teia alimentar em particular. A questão seguinte é como determinar quais são os processos ou ligações importantes nas teias alimentares ou nos ecossistemas? Os cientistas de ecossistemas usam várias ferramentas diferentes, que podem ser descritas geralmente sob o termo “biogeoquímica”.

Biogeoquímica

Como podemos estudar quais destas ligações numa teia alimentar são mais importantes? Uma maneira óbvia é estudar o fluxo de energia ou a ciclagem de elementos. Por exemplo, o ciclo dos elementos é controlado em parte por organismos, que armazenam ou transformam elementos, e em parte pela química e geologia do mundo natural. O termo Biogeoquímica é definido como o estudo de como os sistemas vivos (biologia) influenciam, e são controlados pela geologia e química da terra. Assim, a biogeoquímica engloba aspectos do mundo abiótico e biótico em que vivemos.

Existem vários princípios e ferramentas principais que os biogeoquímicos utilizam para estudar sistemas terrestres. Os principais problemas ambientais que enfrentamos hoje no nosso mundo podem ser analisados utilizando princípios e ferramentas biogeoquímicos. Estes problemas incluem o aquecimento global, chuva ácida, poluição ambiental e o aumento dos gases de efeito estufa. Os princípios e ferramentas que usamos podem ser divididos em 3 componentes principais: relações de elementos, balanço de massa e ciclagem de elementos.

1. Razões de elementos

Em sistemas biológicos, referimo-nos a elementos importantes como “conservadores”. Estes elementos são nutrientes amiúde. Por “conservador” queremos dizer que um organismo só pode alterar ligeiramente a quantidade destes elementos nos seus tecidos se eles devem permanecer em boa saúde. É mais fácil pensar nestes elementos conservadores em relação a outros elementos importantes do organismo. Por exemplo, nas algas saudáveis, os elementos C, N, P e Fe têm a seguinte proporção, chamada de proporção Redfield, depois do oceanógrafo que a descobriu. A razão do número de átomos destes elementos (referenciados a 1 átomo de P) é a seguinte:

C : N : P : Fe = 106 : 16 : 1: 0.01

Após estas razões, podemos compará-las com as razões que medimos numa amostra de algas para determinar se as algas estão em falta num destes nutrientes.

2. Balanço de massa

Outra ferramenta importante que osbiogeoquímicos utilizam é uma simples equação de balanço de massa para descrever o estado de um sistema. O sistema pode ser uma serpente, uma árvore, um lago, ou o glóbulo inteiro. Usando uma abordagem de equilíbrio de massa podemos determinar se o sistema está mudando e quão rápido ele está mudando. A equação é:

NET CHANGE = INPUT + OUTPUT +INTERNAL CHANGE

Nesta equação a mudança líquida no sistema de um período de tempo para outro é determinada por quais são as entradas, quais são as saídas, e qual foi a mudança interna no sistema.O exemplo dado em classe é da acidificação de um lago, considerando as entradas e saídas e a mudança interna de ácido no lago.

3. Element Cycling

Element cycling descreve onde e como elementos rápidos se movem em um sistema. Há duas classes gerais de sistemas que podemos analisar, como mencionado acima: sistemas fechados e abertos.

Um sistema fechado refere-se a um sistema onde as entradas e saídas são insignificantes em comparação com as mudanças internas. Exemplos de tais sistemas incluem uma garrafa, ou globo nossoentio. Há duas maneiras de descrever o ciclo de materiais com este sistema fechado, ou olhando para a taxa de movimento ou para os caminhos do movimento.

1. Taxa = número de ciclos / tempo . medida que a taxa aumenta, a produtividade aumenta
2. Pathways – importante por causa das diferentes reações que podem ocorrer ao longo de diferentes caminhos

Num sistema aberto há entradas e saídas, assim como a ciclagem interna. Assim, podemos descrever as taxas de movimento e os caminhos, tal como fizemos para o sistema fechado, mas também podemos definir um novo conceito chamado tempo de residência (um dos nossos conceitos científicos mencionados no início da palestra).

1. Taxa
2. Percursos
3. Tempo de residência, Rt

Rt = quantidade total de matéria/taxa de saída de matéria

(Note que as “unidades” neste cálculo devem ser canceladas corretamente)

Controles sobre a Função do Ecossistema

Agora aprendemos algo sobre como os ecossistemas são colocados juntos e como os materiais e a energia fluem através dos ecossistemas, podemos abordar melhor a questão de “que função do sistema de controle”? Existem duas teorias dominantes sobre o controle dos sistemas de controle. A primeira, chamada de controle de baixo para cima, afirma que é o fornecimento de nutrientes aos produtores primários que, em última análise, controla como os ecossistemas funcionam. Se o fornecimento de nutrientes for aumentado, o resultante aumento na produção de autotróficos é propagado através da teia alimentar e todos os outros níveis tróficos responderão ao aumento da disponibilidade de alimentos (energia e materiais irão circular mais rapidamente).

A segunda teoria, chamada de controle de cima para baixo, afirma que a predação e o pastoreio por níveis tróficos mais altos em níveis tróficos mais baixos acaba por controlar a função do ecossistema. Por exemplo, se você tiver um aumento nos predadores, esse aumento resultará em poucos grãos de cereal, e essa diminuição nos pastos resultará, por sua vez, em mais primariprodutores porque menos deles estão sendo comidos pelos pastores. Assim, o controle dos números populacionais e da produtividade geral “cascata” desde os níveis superiores da cadeia alimentar até os níveis tróficos inferiores. Em palestras anteriores esta ideia também foi introduzida e explicada como uma “cascata trófica”.

Então, qual é a teoria correcta? Bem, como é frequentemente o caso quando há uma clara dicotomia para escolher, a resposta está em algum lugar no meio. Há evidências de muitos estudos de ecossistema que os controles BOTH estão operando até certo ponto, mas que o NEITHERcontrol está completo. Por exemplo, o efeito “top-down” é frequentemente muito forte a níveis tróficos próximos dos predadores superiores, mas o controlo enfraquece assimilar ainda mais a cadeia alimentar em direcção aos produtores primários. Similarmente, o efeito “bottom-up” de adição de nutrientes normalmente estimula a produção primária, mas o estímulo da produção secundária mais acima na cadeia alimentar é menos forte ou inexistente.

Então, descobrimos que ambos os controles estão operando em qualquer sistema a qualquer momento, e devemos entender a importância relativa de cada controle para nos ajudar a prever como um ecossistema se comportará ou mudará sob diferentes circunstâncias, como por exemplo, diante de um clima em mudança.

A Geografia dos Ecossistemas

Existem muitos ecossistemas diferentes: florestas tropicais e tundra, recifes de coral e lagoas, prados e desertos. As diferenças climáticas de lugar para lugar determinam em grande parte os tipos de ecossistemas que vemos. Como os ecossistemas terrestres nos aparecem é influenciado principalmente pela vegetação dominante.

A palavra “bioma” é usada para descrever um grande tipo de vegetação, como floresta tropical, prados, tundra, etc., estendendo-se por uma grande área geográfica (Figura 3). Nunca é usado para sistemas aquáticos, tais como lagoas ou recifes de coral. Refere-se sempre à categoria de vegetação que é dominante numa escala geográfica muito grande, e portanto é um pouco mais ampla geograficamente que um ecossistema.

Figure 3: A distribuição dos biomas.

Podemos nos basear em palestras anteriores para lembrar que os padrões de temperatura e pluviosidade de uma região são distintos.Cada lugar na Terra recebe o mesmo número total de horas de luz solar, mas não a mesma quantidade de calor. Os raios solares atingem baixas latitudes de forma direta, mas altas latitudes obliquamente. Esta distribuição desigual dos aquecedores não só as diferenças de temperatura, mas também o vento global e as correntes oceânicas que, por sua vez, têm muito a ver com o local onde ocorre a chuva. Acrescente-se aos efeitos de resfriamento da elevação e os efeitos das massas de terra sobre a temperatura e a precipitação, e obtemos um padrão global complicado de clima.

Uma visão esquemática da terra mostra que, embora o clima possa ser complicado, muitos aspectos são previsíveis (Figura4). A alta energia solar que atinge perto do equador assegura temperaturas quase constantes e altas taxas de evaporação e transpiração das plantas. O ar quente sobe, arrefece e solta a sua humidade, criando apenas as condições para uma floresta tropical tropical. Contrastando a temperatura estável, mas com a precipitação relativamente constante de um local no Panamá, mas com as mudanças sazonais de temperatura de um local no estado de Nova Iorque. Everylocation tem um gráfico de temperatura de chuva que é típico de uma região mais ampla.

Figure 4. O padrão climático afeta as distribuições dos biomas.

Podemos nos basear na fisiologia das plantas para saber que certas plantas são distintas de certos climas, criando a aparência de vegetação que chamamos de biomas. Observe como a distribuição dos biomas se dá bem na distribuição dos climas (Figura 5). Note também que alguns climas são impossíveis, pelo menos no nosso planeta. Não é possível uma precipitação elevada a baixas temperaturas – não há energia solar suficiente para alimentar o ciclo da água, e a maior parte da água está congelada e, portanto, biologicamente disponível durante todo o ano. A tundra alta é tanto um deserto como o Saara.

Figure 5. A distribuição dos biomas relacionados à temperatura e precipitação.

Resumo

• Os ecossistemas são compostos por componentes abióticos (não vivos, ambientais)e bióticos, e estes componentes básicos são importantes para quase todos os tipos de ecossistemas. A Ecologia dos Ecossistemas olha para as transformações energéticas e a reciclagem biogeoquímica dentro dos ecossistemas.
• A energia é continuamente introduzida no anecossistema sob a forma de energia luminosa, e alguma energia é perdida com cada transferência para um nível trófico superior. Os nutrientes, por outro lado, são reciclados dentro de um ecossistema, e o seu fornecimento normalmente limita a actividade biológica. Assim, “fluxos energéticos, ciclo de elementos”.
• A energia é movida através de um ecossistemavia uma teia alimentar, que é constituída por cadeias alimentares interligadas. A energia é primeiro capturada pela fotossíntese (produção primária). A quantidade de produção primária determina a quantidade de energia disponível para níveis tróficos superiores.
• O estudo de como os elementos químicos percorrem o ciclo de um ecossistema é denominado biogeoquímica. Uma cyclecan biogeoquímica é expressa como um conjunto de armazéns (piscinas) e transferências, e pode ser estudada usando os conceitos de “estequiometria”, “balanço de massa” e “tempo de residência”.
• A função do ecossistema é controlada principalmente por dois processos, controles “top-down” e “bottom-up”.
• Um bioma é um tipo de vegetação importante que se estende por uma grande área. As distribuições do bioma são determinadas em grande parte pelos padrões de temperatura e precipitação na superfície da Terra.

Revisão e Autoteste

• Revisão dos principais termos e conceitos desta palestra.

Leituras Surgidas:

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