energia nos sistemas ecológicos

ENERGIA NOS SISTEMAS
ECOLÓGICOS
1)Energia: capacidade de realização de trabalho.
2)Leis da Termodinâmica:
1ª Lei ou da conservação da energia: a energia pode ser
transformada de um tipo em outro, mas nunca ser criada ou destruída.
Ex.: luz  calor  açúcar  movimento muscular...
2ª Lei ou da entropia: toda transformação energética só
ocorrerá com “consumo” de uma parte da energia inicial, e nunca
espontaneamente nem 100% eficiente.
Ex.: corpo quente  resfriamento  perda de calor para o ambiente.
*Entropia: Em = em + trope = transformação: medida da energia nãodisponível num sistema. Também indica o índice geral da desordem
associada à degradação da energia.
• ♦Característica termodinâmica essencial dos
organismos, ecossistemas e da biosfera: condição de
baixa entropia ou capacidade de criar e manter alto grau
de ordem interna.
• Também é entendido como: pequena quantidade de
desordem interna ou de energia não-disponível.
• ♦Baixa entropia conseguida por contínua e eficiente
dissipação de energia de alta utilidade (luz ou alimento)
para outra de baixa utilidade (calor) = respiração total da
comunidade (expulsão contínua da desordem).
• ♦Ecossistemas e organismos = sistemas
termodinâmicos abertos.
• ♦Trocas contínuas de matéria e energia com o ambiente
 diminuição da entropia interna  aumento da
entropia externa.
• *AMBIENTE ENERGÉTICO:
• ♦Organismos na superfície terrestre recebem
energia 2 tipos:
• 1)Radiação Solar;
• 2)Radiação Térmica de superfícies próximas;
• ♦Os 2 tipos contribuem para temperatura global,
evaporação, movimento de ar e água;
• *Energia aproveitável:
• ♦luz solar que atinge a biosfera = 2gcal/cm2/min
= Constante Solar.
• ♦Após passar pela atmosfera: no máximo 67% =
1,3gcal/cm2/min (meio dia, verão, céu limpo)
=(2,05 x10-6 hp).
Entrada de luz solar camada autotrófica (1 dia):
gcal/cm2/min (Kcal/m2/h)
Mínimo
Média
Máximo
100 (1.000)
300 (3.000) a
400 (4.000)
800 (8.000)
• *Fluxo de luz/calor (energia) diário em ecossistemas distintos:
• ♦Gases e poeiras atmosféricas atenuam muito a penetração de
radiação que chega à Terra;
• ♦Radiação ultravioleta, com ondas menores que 0,3μm, totalmente
barradas pela camada de ozônio (25 km de altitude)  fatais para
protoplasma exposto;
• ♦Adsorção (fixação de molécula de 1 substância à superfície de
outra substância) atmosférica reduz irregularmente radiação
infravermelha;
• *Energia Radiante incidente sobre a superfície terrestre (dia com
céu limpo):
•
10% ultravioleta + 45% luz visível + 45% infravermelho;
• ♦Luz visível menos atenuada ao passar pela atmosfera e água clara
 imprescindível para fotossíntese;
• ♦Absorção luminosa pela vegetação:
• ●fortemente ondas azul e vermelho visíveis e infravermelho longo;
• ●médio ondas verde e
• ●pouco infravermelho próximo.
• ♦Uso: sensoriamento remoto e fotogrametria aéreos e de satélite
(vegetação natural, culturas, áreas impactadas, etc.).
• ♦Absorção intensa do infravermelho longo (calor) e radiação visível
pela folhagem das árvores  sombras fresca e intensa das
florestas (ex.: desertos quentes – dia e frios – noite);
• *Absorção da clorofila:
• ♦Principalmente: luzes azul e vermelha (0,4 μm a 0,5 μm
e 0,6 μm a 0,7 μm, respectivamente);
• ♦Água nas folhas (vapor d’água): absorvem calor do
infravermelho longo  ambientes com vegetação
atenua e “conserva” calor.
• *Radiação Térmica:
• ♦Proveniente de superfícies expostas à luz solar, e com
temperaturas externas acima do zero absoluto;
• ♦Inclui: solo, água, ar, vegetação, nuvens;
• ♦Nuvens: irradiam muita energia térmica – noites sem
nuvens são mais frias; contribuem para efeito estufa;
• *Absorção pela Biomassa:
• ♦Mais facilmente radiação térmica que radiação
solar;
• ♦Desertos e tundras: fluxo durante período claro
é muito maior que no período escuro;
• ♦Águas profundas ou interiores de floresta
tropical e cavernas: radiação com pouca
variação durante todo o período de 24h;
• ♦Água e Biomassa têm tendência natural a
redução das flutuações diárias no ambiente
energético  diminuição das condições
inóspitas para a vida.
• *Luz solar integrada e recebida diretamente pelo estrato autotrófico:
mais importante para a produtividade e ciclagem de nutrientes num
ecossistema.
• Influxo energético sobre a Terra, diariamente:
•
●Entre 100 e 800 gcal/cm2/dia = 1.000 a 8.000 kcal/m2/dia;
•
●Maior parte da Terra;
•
●Exceção: pólos e regiões áridas (desertos) – extremos de
radiação – pouca produção biológica.
•
●Média geral de influxo de energia radiante: 3.000 a 4.000
kcal/m2/dia e 1,1 a 1,5 milhão kcal/m2/ano.
• Radiação Líquida: é a diferença entre todos os fluxos de energia
dirigidos para baixo (que entram) e todos os fluxos de energia
dirigidos para cima (que saem) da superfície terrestre.
• Entre os paralelos 40o N e 40º S, Radiação Líquida anual  :
•
●sobre os oceanos: 1 milhão kcal/m2/ano;
•
●sobre os continentes: 0,6 milhão kcal/m2/ano.
• Dissipação de toda a energia que entra na forma de Evaporação
de água e geração de ventos térmicos;
• ”Atraso” na saída de energia (calor) da biosfera  Efeito estufa;
• Aplicação da energia solar que entra na Biosfera:
• ● 1% convertido em alimento e outras formas de
biomassa;
• ●70% restante produzem calor, evaporação,
precipitação, vento, etc. aproveitáveis na manutenção
da temperatura essencial à vida e como
impulsionadores dos ciclos meteorológicos e hídricos;
• Outras formas de energia aproveitáveis:
• ●Movimento das marés e geotérmica  aproveitáveis
localmente, devido altos custos.
PRODUTIVIDADE
• Produtividade Primária: taxa de conversão da energia radiante em
substâncias orgânicas, através da fotossíntese e quimiossíntese.
Divide-se em 4 etapas:
• ●Produtividade Primária Bruta ou Fotossíntese Total ou assimilação
Total: taxa global de fotossíntese, inclusive a matéria orgânica gasta
na respiração, durante o período de medição.
• ●Produtividade Primária Líquida ou Fotossíntese Aparente ou
Assimilação Líquida: taxa de armazenamento de matéria orgânica
nos tecidos vegetais, em excesso, e gastos na respiração, durante
o período de medição.
• ●Produtividade Líquida da Comunidade: taxa de armazenamento de
matéria orgânica não usada pelos heterótrofos (produção primária
líquida – consumo heterotrófico) e medida durante certo período
(ex. 1 ano, etc.).
• ●Produtividades Secundárias: taxas de armazenamento energético
ao nível dos consumidores.
•
Obs.1: A produtividade secundária não deve ser dividida em bruta e líquida
devido ao fato dos consumidores já utilizarem materiais alimentares já
produzidos que são convertidos em tecidos diferentes.
•
•
Obs.2: Fluxo energético nos heterótrofos: Assimilação;
Fluxo energético nos autótrofos: Produção.
•
Obs.3: Produtividade e Taxa de Produção = sinônimos.
•
Obs.4: 2ª Lei da termodinâmica: a “quantidade” de energia diminui a cada
etapa de transferência, pela dissipação de calor que ocorre na
transformação da energia de uma forma em outra.
Ocorrência de altas taxas de produção em ecossistemas, devido a:
Fatores físicos favoráveis, e;
Subsídios energéticos externos (ação de ventos e da chuva, energia
das marés, queima de combustíveis fósseis, trabalho humano ou animal,
etc.).
Taxa: componente indispensável na produtividade biológica (quantidade
de energia fixada num determinado período de tempo).
Difere da produção química ou industrial:
●Industrial: termina com a produção de material;
●Biológica: é um processo contínuo.
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•
Biomassa x Produtividade:
• Biomassa: ou standing crop: é a quantidade
de biomassa existente no momento da medição;
• Produtividade: taxa de transformação (ou
fixação) da energia radiante em matéria
orgânica.
• *Relação entre Energia Radiante e
Fotossíntese:
•  50% da energia radiante que chega a Terra
são absorvidas;
•  5% (Max. 10%) da que é absorvida é
convertida em fotossíntese;
•  20% (geralmente 50%) é consumida na
respiração vegetal.
Quadro 1: Dissipação Energética da Radiação Solar como
Porcentagem da Entrada Anual na Biosfera.
Forma de Dissipação da energia
%
Refletida
30
Conversão direta em calor
46
Evaporação, precipitação
23
Ventos, Ondas, Correntes
0,2
Fotossíntese
0,8
Energia das marés
 0,0017
Energia Terrestre
 0,5
Distribuição da produção Primária:
•
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•
Tempo de reposição ou turnover time: razão entre a biomassa e a produção;
Turnover time na floresta: medido em anos;
Turnover time no mar: medido em dias;
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Produtividade marinha:
●Águas costeiras: 30 m superficiais – esverdeadas e escuras = mais férteis;
●Mar aberto, águas claras: até 100 m profundidade – azuis e claras = menos férteis;
●Explicação: fitoplâncton adaptado à sombra. Fotossíntese ocorre logo abaixo da
superfície.
•
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•
Produtividade florestal:
●folhas das copas = adaptados ao sol forte;
●folhas inferiores = adaptadas à sombra.
Oceanos têm baixíssima produtividade, em geral – Técnica de medição do
carbono-14;
Produção terrestre = 2 x a produção marinha.
Maior parte da Terra com baixa produção: limitadas por carência de nutrientes,
água, etc.
Áreas com alta produtividade: recebem subsídios energéticos (estuários, áreas
costeiras com ressurgência, subsolo rico, etc.).
Relação Produtividade x Evapotranspiração (terrestre): correlação direta;
Relação Produtividade x Profundidade (aquáticos): correlação inversa.
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*Produção nos oceanos.
Quadro 2: Produção Primária Bruta (anual) estimada da Biosfera e distribuição nos principais
ecossistemas:
Ecossistema
Área (106 km2)
Produtividade
primária bruta (kcal
x m-1 x ano-1)
Produtividade bruta
total (106 x ano-1)
Marinhos
Oceanos abertos
326,0
1.000
32,6
Zonas Costeiras
34,0
2.000
6,8
Zonas de
ressurgência
0,4
6.000
0,2
Estuários e Recifes
2,0
20.000
4,0
Desertos e Tundras
40,0
200
0,8
Campos e Pastos
42,0
2.500
10,5
Florestas secas
9,4
2.500
2,4
Florestas boreais e
coníferas
10,0
3.000
3,0
Florestas
temperadas; pouco
ou nenhum subsídio
energético
10,0
3.000
3,0
Terrestres
Florestas
temperadas
úmidas
4,9
8.000
3,9
Agricultura com
subsídios
(mecanizada)
4,0
12.000
4,8
Florestas tropicais
e subtropicais
úmidas (perenes
e latifoliadas)
14,7
20.000
29,0
Subtotal
135,0
-
57,0
5.000,0
2.000
100,0
Total e média (col.
2) para a biosfera
NÍVEIS TRÓFICOS
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*Cadeia Alimentar ou Trófica: Gr. Trofos = comer.
É a seqüência da transferência de energia, desde a fonte, ou
produtores autótrofos, que passa por vários organismos, os quais
consomem e são consumidos, e onde esta energia sofre altas perdas (≈
80% a 90%) na forma de calor, entre um estágio (consumidor) e outro.
*2 Tipos de Cadeias Tróficas:
i)Cadeia de Pastagem: planta  herbívoro  carnívoro;
ii)Cadeia de Detritos: matéria orgânica não-viva  microrganismos 
detritívoros  Predadores.
*Rede Alimentar ou Trófica: Interconexão de várias cadeias tróficas dentro
de uma comunidade.
*Níveis Tróficos: etapas pelas quais, um organismo obtêm energia,
contadas desde a fixação pela fotossíntese até o organismo analisado.
Ex.: plantas  produtores = 1º nível trófico*
Herbívoros  consumidores primários = 2º nível trófico*
Carnívoros 1  consumidores secundários = 3º nível trófico*
(*) = é uma classificação de função e não de espécies.
Determinada população pode ocupar mais de 1 nível trófico, dependendo
da fonte energética assimilada. Ex. o homem.
*Rede Trófica
*Rede Trófica Oceânica
*Componentes Energéticos da
Cadeia Trófica:
• NU: Energia Não Utilizada – disponível no
mesmo N.T.
• A = Produção Bruta (Fotossíntese Bruta):
Heterótrofos = alimento produzido noutro lugar;
• R = Respiração (parte da energia fixada,
queimada e perdida como calor);
• P = Produção (M.O. nova); Autótrofos =
produção líquida; Heterótrofos = produção
secundária; Disponível para próximo N.T.;
E = Entrada energética; LA = Luz absorvida; PB = Produção Primária Bruta; A =
Assimilação total; PL = Produção Primária Líquida; P =Produção secundária; NU =
energia Não Utilizada; NA = energia Não Assimilada; R = Respiração; energia = kcal . m2 . dia-1.
e(t) = entrada energética em relação ao tempo; s(t) = saída energética;
e/s = kcal . m-2 . ano-1.
*Eficiência Ecológica:
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♦Proporção entre fluxos energéticos, medidas em diferentes pontos de uma
cadeia trófica, e expressas em porcentagem.
♦Devem ser expressas sempre com o numerador e denominador nas
mesmas unidades (p. ex. kcal);
♦Eficiências nas transferências entre níveis tróficos:
Eficiência PB/L = 1 a 5%;
Eficiência PB/LA = 2 a 10%;
Eficiência entre níveis tróficos secundários = 10 a 20%;
*PB= Fotossíntese total (Produção Bruta);
*LA= Luz absorvida;
*L=Luz total.
♦Proporção de energia assimilada e gasta na respiração:
Animais de sangue quente = 10 x animais de sangue frio;
♦Eficiência de produção P/A: menor para animais de sangue quente;
♦Eficiência de transferência entre níveis tróficos:
Cadeia alimentar de invertebrados > cadeia alimentar de mamíferos.
Ex.: Alce  Lobo ≈ 1%;
Daphnia  Hydra ≈ 10%.
♦Herbívoros x Carnívoros:
*Eficiência P/A maior;
*Eficiência A/E menor.
*Magnificação Biológica, Bioacumulação:
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♦Concentração de substâncias ao longo de uma cadeia trófica;
♦Ocorre pelo lançamento de resíduos químicos industriais/domésticos, no
meio ambiente;
♦Organismos do final da cadeia concentram quantidades maiores que os
do início da cadeia;
♦Ex.: Uso de DDT (inseticida de hidrocarbonetos clorados) tem um Fator de
Concentração de:
FC = 500.000 vezes para animais piscívoros;
FC: razão entre ppm no organismo / ppm na água.
Peixes e aves: concentrações exageradas  depósitos corporais de
gordura.
Aves: muito vulneráveis ao DDT  interfere formação da casca do ovo.
♦Muito fatores abióticos podem influenciar no FC:
Seres humanos ingerem menos DDT que gaviões-pesqueiros: cozimento
e industrialização removem parte do inseticida;
Peixes em perigo duplo:
*contaminação por absorção direta das substâncias do meio – guelras;
*contaminação pela alimentação.
Quadro 3 - Exemplo de Concentração de DDT na Cadeia Trófica*.
Compartimento
Resíduos de DDT (ppm†)
Água
0,00005
Plâncton
0,04
Peixinho prateado
0,23
Pargo
0,94
Lúcio (predador)
1,33
Peixe agulha (predador)
2,07
Garça (pequenos animais)
3,57
Andorinha-do-mar (pequenos animais)
3,91
Gaivota real (animais variados)
6,00
Ovo do Gavião Pesqueiro
13,8
Merganso (peixes)
22,8
Cormorrão (peixes maiores)
26,4
†Partes por milhão (ppm) de resíduos totais, DDT + DDD + DDE (todos tóxicos), em
termos de peso úmido e organismo inteiro.
*Dados de Woodwell, Wuster & Isaacson, 1967.
*Estrutura Trófica e Pirâmides Ecológicas:
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♦Estrutura Trófica: interação entre o fenômeno da cadeia alimentar (perdas
energéticas entre cada transferência) e a relação entre o tamanho e
metabolismo resultante da cadeia trófica.
♦Cada comunidade tem sua estrutura trófica própria, que pode caracterizar
um certo tipo de ecossistema (lago, floresta, recife de coral, pasto, etc.);
♦Estrutura trófica pode ser medida e descrita:
biomassa presente por unidade de área;
energia fixada por área por tempo.
♦Pirâmides Ecológicas: representações gráficas da estrutura trófica e da
função trófica;
♦1º nível: produtores;
♦Pirâmides de 3 tipos:
Pirâmide de Números: número de organismos individuais;
Pirâmide de Biomassa: unidade de medida de biomassa (peso seco,
calorias, etc.);
Pirâmide de Energia: fluxo energético ou Produtividade.
• ♦Pirâmides de Números e Biomassa: podem ser invertidas: base
menor que níveis sucessivos  indivíduos produtores maiores, em
média, que indivíduos consumidores;
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♦Pirâmide de Energia sempre “Direta”, não-invertida.
*Características das Pirâmides Ecológicas:
♦Pirâmide de Números:
pouco precisa e confiável: não indica os efeitos da cadeia alimentar nem do
tamanho;
sofrerá muitas variações na sua forma, dependendo do tamanho dos indivíduos:
produtores pequenos, consumidores grandes;
impossibilidade de mostrar toda a comunidade devido à grande variação dos
números.
♦Pirâmide de Biomassa:
melhor explicação das relações de biomassa para os grupos ecológicos em geral;
dependente do tamanho dos organismos: tamanhos não muito diferentes 
pirâmide direta;
Indivíduos dos níveis inferiores muito menores que dos níveis superiores  pirâmide
invertida;
Ex.: pirâmides de biomassa invertidas: lagos e mar: produtores (fitoplâncton) muito
mais pesados que consumidores primários (zooplâncton), períodos de alta
produtividade primária (crescimento acelerado – primavera/verão).
♦Pirâmide de Energia:
reflete melhor o estado funcional das comunidades;
reflete a velocidade de passagem do alimento ao longo da cadeia trófica;
sua forma não sofre alteração devido ao tamanho e taxa metabólica dos indivíduos;
será direta se todas as fontes energéticas forem consideradas;
fornece índice mais adequado para comparação de todo e qualquer componente de
um ecossistema;
• ♦Pirâmides de números e biomassa refletem estados
instantâneos (quantidade de organismos presentes em
determinado momento);
• ♦Números dão muito importância aos organismos
pequenos;
• ♦Biomassa dá muita importância aos organismos
grandes;
• ♦Pirâmides de números e biomassa não devem ser
usadas para comparação do papel funcional de
populações com muitas diferenças de tamanho e
metabolismo;
• ♦Pirâmides ecológicas servem para ilustrar relações
quantitativas em partes específicas de um ecossistema.
Ex. proporção presa – predador ou hospedeiro –
parasita.
• ♦Pirâmide de números de parasitas: invertida;
• ♦Pirâmides de Biomassa e Energia de parasitas: diretas.
Exemplos de Pirâmides Ecológicas de(A) Números; (B)Biomassa e
(C)Fluxo de Energia.
Quadro 4 - Comparação entre Densidade, Biomassa e Fluxo Energético de 5
com indivíduos de tamanhos diferentes.
Comunidade
Densidade
aproximada (m2)
Biomassa (g/m2)
Fluxo energético
(Kcal/m2/dia)
Bactérias do solo
1012
0,001
1,0
Copépodas
marinhos (Acartia)
105
0,001
2,5
Caramujos zona
entre marés
(Littorina)
200
10,0
1,0
Gafanhotos de
alagados marinhos
(Orchelimum)
10
1,0
0,4
Camudongos do
prado (Microtus)
10-2
0,6
0,7
Veado (Odocoileus)
10-5
1,1
0,5
Quadro 5 – Comparação entre Metabolismo Total e Densidade Populacional
de microrganismos do solo.
Solo sem acréscimo de
esterco
Solo com acréscimo de
esterco
1
15
Bactérias x 108
1,6
2,9
Micélios de fungos x 106
0,85
1,01
Protozoários x 103
17
72
Energia dissipada: Kcal
x 106/acre/ano
Densidade populacional
média (No./g de solo)