CAPÍTULO 2. Fluxos de energia e materiais através de

02. Fluxos de energia e materiais através de ecossistemas
Objetivos
1. Identificar as principais fontes de energia e mostrar seu fluxo
através de uma floresta;
2. Enunciar as leis da energia e ilustra-lhas com exemplos;
3. Lembrar as unidades de energia: kilocaloria e Joule;
4. Mostrar os principais reagentes e produtos da fotossíntese, e
do consumo orgânico;
5. Traçar os ciclos de fósforo e nitrogênio no ecossistema;
6. Acompanhar o fluxo de água no ecossistema florestal;
7. Diagramar um ecossistema florestal que inclua as fontes e os
fluxos de energia, fósforo, nitrogênio, água, oxigênio e dióxido
de carbono.
Modelo mais detalhado do sistema florestal.
No Capítulo 1 examinamos um modelo muito simples
de ecossistema florestal e fizemos uma introdução dos
símbolos para diagramar as partes e os processos.
Neste capítulo usaremos o mesmo modelo, detalhando o
armazenamento e os fluxos dos resíduos, nutrientes,
dióxido de carbono e oxigênio.
Modelo mais detalhado da florestal – 2.
Para sobreviver, um ecossistema necessita de um
abastecimento contínuo de materiais essenciais. Estes
podem vir de fora do sistema e/ou da reciclagem dos
materiais.
Um diagrama do sistema pode ser usado para mostrar as
fontes e fluxos, dos materiais mais importantes e a energia.
Um diagrama pode mostrar as fontes e fluxos de cada tipo
de material por separado.
Fotossíntese.
Pode-se resumir o processo da fotossíntese pelas plantas
verdes da seguinte maneira:
Água +
Dióxido de carbono
+ Nutrientes
=
Material orgânico +
Oxigênio .
Consumo
O processo de respiração ou consumo orgânico pelos
consumidores (que pode incluir o fogo da floresta e o
consumo industrial de combustíveis) ocorre em direção
contrária:
Material orgânico +
Oxigênio.
=
Água +
Dióxido de carbono
+ Nutrientes
Modelo de Produção e Consumo na floresta
Figura 2.1. Processo P-R de uma floresta
Os símbolos representam um ecossistema trabalhando.
As diversas plantas verdes utilizam a energia do sol, água e
nutrientes do solo e dióxido de carbono do ar para produzir
matéria orgânica.
Parte da matéria orgânica é alimento de insetos quando
ainda está verde, parte é consumida por micróbios
(organismos microscópicos) logo que cai ao solo, parte se
queima nos incêndios.
Os consumidores usam oxigênio do ar e liberam nutrientes,
dióxido de carbono e um pouco de água como subprodutos.
Comentários sobre o modelo.
O vento é uma fonte externa que renova a atmosfera, de
oxigênio e dióxido de carbono.
Quando o vento sopra através da floresta, leva consigo
qualquer excesso de dióxido de carbono acumulado pelos
consumidores.
Os números nos caminhos estão em E6 joules por metro
quadrado de floresta por ano.
Sistema em equilíbrio.
Depois de alguns anos, o ecossistema florestal pode entrar
em equilíbrio.
A água flui para dentro e para fora do ecossistema; os
nutrientes se movem desde o solo até aos organismos vivos
e voltam a ele novamente.
Organismos crescem, morrem se decompõem e seus
nutrientes retornam ao sistema.
Se os depósitos permanecem constantes, com os fluxos de
entrada iguais aos de saída, se diz que o ecossistema está
em estado de equilíbrio.
Quantificação dos fluxos de energia.
A energia é necessária em todos os processos. A quantidade
de energia pode ser medida pelo calor liberado.
Existem duas unidades usadas para medir energia:
A caloria é a quantidade de calor necessária para elevar a
temperatura de um grama de água em um grau na escala
Celsius (grau centígrado). Uma kilocaloria são mil
calorias. Um corpo humano libera cerca de 2500
kilocalorias por dia, energia proporcionada pelos alimentos
consumidos.
Joule.
Por acordos internacionais, uma
unidade de energia diferente se está
utilizando com maior freqüência, o
Joule (J).
Uma kilocaloria é equivalente à 4186,8
Joules.
Fluxo das energias.
A energia é necessária para todos os processos em um
ecossistema.
A floresta usa a energia do sol (energia solar) e pequenas
quantidades de outras fontes.
As fontes energéticas, depósitos e fluxos em um
ecossistema florestal estão marcadas no diagrama da
floresta na Figura 2.1. (as quantidades estão em Joules).
Notação adotada.
O diagrama inclui alguns números bastante grandes, com
muitos zeros, os quais podem representar-se como o
produto da parte inicial do número multiplicado por 10
para cada zero. Por exemplo: 627000 se representa como
627 .103 ou 6,27 .105
Pode se usar o formato de programas de computação:
6.27 E5 onde E5 (5 exponencial) significa multiplicar
10*5. Isto é o mesmo que adicionar 5 zeros.
Esta última notação é usada na Figura 2.1 para indicar o
fluxo de joules. Quando usamos a notação computacional
usamos ponto em vez de virgula para separar inteiros de
decimais.
Valores nos caminhos do diagrama.
Uma boa maneira de ver como os materiais, energia ou
dinheiro fluem dentro de um sistema, é escrever seus
valores nos caminhos do diagrama.
Por exemplo, os números nas linhas de fluxo na Figura
2.1 são as razões de energia por ano. Na Figura 2.3 os
números são gramas de fósforo fluindo pelo sistema, por
metro quadrado por ano.
Às vezes é útil mostrar as quantidades médias dos
depósitos. Por exemplo, o valor médio de fósforo no
depósito de biomassa é de 10 gramas por metro quadrado
por ano.
As leis da energia.
O diagrama energético da floresta ilustra duas leis
fundamentais:
A primeira é a Lei da Conservação de Energia que
declara que a energia não pode ser criada nem destruída.
Em nosso caso, significa que a energia que flui para
dentro de um sistema é igual à energia adicionada ao
depósito mais aquela que flui para fora do sistema.
Quando os depósitos não mudam, a soma das entradas é
igual à soma das saídas de energia: os joules de energia
que entram no sistema das fontes externas, são iguais aos
joules de energia que se dispersam pelo sumidouro.
As leis da energia.
A segunda lei, é a Lei da Dispersão de Energia.
Esta lei declara que a disponibilidade para que a energia
realize algum trabalho se esgota devido à sua tendência à
dispersão (ou degradação).
A energia também se dispersa dos depósitos de energia.
Quando apresentamos o símbolo do sumidouro de calor
no último capítulo, dissemos que os sumidouros de calor
eram necessários para todos os processos e depósitos. .
As leis da energia.
Os sumidouros de calor existem devido a segunda lei.
Observe os fluxos de energia no diagrama da floresta
(Figura 2.1), veja que os joules de energia que fluem pelo
sumidouro de calor não estão disponíveis para realizar
mais trabalho no sistema porque a energia se encontra
desagregada (demasiado dispersa).
A energia que se dispersa é energia que foi utilizada, não
é energia desperdiçada. Sua saída do sistema é parte
inerente e necessária de todos os processos, biológicos ou
qualquer outro tipo.
O CICLO DE ÁGUA NA FLORESTA.
A planta absorve uma grande quantidade de água pelas
raízes, a conduze através dos troncos para as folhas e
finalmente a expulsa nos poros microscópicos nas folhas
em forma de vapor. Esta saída de água se chama
transpiração. A quantidade de água transpirada é muito
maior que a pequena quantidade de água usada na
fotossíntese.
Parte da água da chuva muda de estado antes de alcançar
o solo, é a evaporação.
A soma da transpiração e da evaporação é chamada
evapotranspiração.
O CICLO DE ÁGUA NA FLORESTA.
O CICLO DE ÁGUA NA FLORESTA.
A Figura 2.2 mostra os fluxos e depósitos de água em um
metro quadrado de um ecossistema florestal.
Pouca água é armazenada (em depósito) comparada com
a quantidade que flui através de todos sistemas (chuva,
lixiviação e transpiração).
A Figura 2.2 é a parte da água da Figura 2.1.
O CICLO DO FÓSFORO.
Substâncias químicas (nutrientes) são também
necessárias para os depósitos e processos de um
ecossistema.
Um dos nutrientes mais importantes para a construção de
organismos é o fósforo.
Geralmente o fósforo é mais escasso que outros
nutrientes, tais como o nitrogênio e o potássio. Se o
sistema florestal não reciclasse o fósforo, este poderia
ficar tão escasso, que limitaria o crescimento das plantas
da floresta.
O CICLO DO FÓSFORO.
Fluxos e depósitos que contém nutrientes ricos em
fósforo estão incluídos na Figura 2.1.
A entrada e a reciclagem do fósforo pode mostrar-se por
separado retirando do diagrama os itens que não contém
fósforo.
Na Figura 2.3 se mostram os caminhos e depósitos
restantes como o diagrama do ciclo do fósforo.
O CICLO DO
FÓSFORO.
O CICLO DO FÓSFORO.
Fluxos e depósitos que contém nutrientes ricos em
fósforo estão incluídos na Figura 2.1.
A entrada e a reciclagem do fósforo pode mostrar-se por
separado retirando do diagrama os ítens que não contém
fósforo.
Na Figura 2.3 se mostram os caminhos e depósitos
restantes como o diagrama do ciclo do fósforo.
O CICLO DO FÓSFORO.
O diagrama mostra a chuva e as rochas como fontes
externas de fósforo. O fósforo está presente como
fosfatos inorgânicos que as plantas usam para produzir
compostos orgânicos necessários para a vida.
O fósforo nestes compostos, participa da biomassa que
regressa a formas inorgânicas mediante os consumidores,
quando eles usam a biomassa como alimento.
O CICLO DO FÓSFORO.
O fósforo inorgânico liberado se torna parte do depósito
de nutrientes no solo.
Assim, o fósforo se move em um ciclo como mostra a
Figura 2.3.
Parte flui para fora do sistema com as águas que saem
pela superfície do solo ou percola para o lençol freático.
O fósforo não tem fase gasosa em seu ciclo. .
O CICLO DO NITROGÊNIO.
O elemento químico nitrogênio é essencial para todas as
formas de vida e seus produtos.
É um dos elementos necessários para fazer proteínas
(músculos em carnes, nervos, cabelos, tendões, pele,
penas, seda, leite, queijo, sementes e nozes, enzimas), e
estruturas genéticas.
O CICLO DO NITROGÊNIO.
78% do ar é composto por gás nitrogênio, mas a maioria
dos organismos não podem utilizá-lo nesta forma. O
nitrogênio em seu estado gasoso pode converter-se em
formas utilizáveis (nitratos, nitritos, e amônia) por
processos especiais que necessitam de energia.
A energia nos relâmpagos converte o nitrogênio em
nitratos na chuva.
Os processos industriais usam combustíveis para
converter o gás nitrogênio para fertilizantes nitrogenados
para fazendas.
O CICLO DO NITROGÊNIO.
As plantas, algas e bactérias que podem fazer isto são
chamadas fixadoras de nitrogênio.
Algumas plantas e árvores possuem nódulos que fixam o
nitrogênio usando açúcar que é transportado desde as
folhas como fonte de energia.
As algas azul-esverdeadas podem fixar o nitrogênio
usando a luz solar.
Algumas bactérias podem fixar o nitrogênio usando
matéria orgânica como fonte de energia.
O CICLO DO NITROGÊNIO.
O CICLO DO NITROGÊNIO.
A Figura 2.4 mostra o ciclo do nitrogênio nos
ecossistemas.
Iniciando pelos organismos fixadores de nitrogênio, o
nitrogênio passa às plantas, e logo para os animais,
seguindo a cadeia alimentar.
Nas plantas e nos animais, o nitrogênio se encontra em
forma de compostos orgânicos como as proteínas.
O nitrogênio retorna para o solo e a água em forma de
dejetos animais e pela decomposição de plantas e
animais.
OUTROS CICLOS.
Diagramas parecidos podem ser desenhados para cada
substância química utilizada nos processos de produção e
consumo, tais como o carbono e o oxigênio.
Em resumo, os diagramas simbólicos são uma forma de
representar os fluxos dentro dos ecossistemas incluindo
energia, água, e fósforo.
O diagrama, com todos seus componentes, mostra como
a energia e os materiais interatuam para formar um único
sistema.
QUESTÕES
•
•
•
•
Defina biomassa, fixador de nitrogênio, nutrientes,
transpiração, kilocaloria, joule, estado de
equilíbrio, micróbios
Mencione três funções importantes do vento no
ecossistema florestal.
Mencione duas fontes de energia (além da energia
solar) no ecossistema florestal.
Mencione dois consumidores no ecossistema
florestal.
QUESTÕES
3. Diga a diferença entre evaporação e transpiração.
4. Explique por que o fósforo é importante no
ecossistema florestal.
5. Use a Figura 2.1 para explicar a Lei de Dispersão
de Energia.
6. O que são as leis de energia?
7. Escreva a equação de produção da fotossíntese e a
de consumo orgânico.
QUESTÕES
8. Explique 'fixação de nitrogênio' e 'desnitrificação'.
9. Na Figura 2.1, que porcentagem de energia
incidente é dispersada pelo sumidouro?
O CICLO DO NITROGÊNIO.
Várias substâncias de dejetos que contém nitrogênio,
como a uréia na urina, são convertidas por bactéria em
amônia, nitritos e nitratos; estes são usados novamente
pelas plantas para fechar o ciclo. Alguns micróbios
devolvem o nitrogênio à atmosfera como gás nitrogênio.
Isto se chama desnitrificação.