Material Teórico sobre Ciências do Ambiente e Bioclimatologia

Ciências do Ambiente e Bioclimatologia Material Teórico Responsável pelo Conteúdo Profa Esp Valéria Leite Aranha Revisão Textual Profa Ms Luciene Oliveira da Costa Santos Matéria Energia e Sistemas Ecossistemas Introdução Matéria Alterações da Matéria Energia Mudanças de energia x Leis da Termodinâmica Sistemas Ecossistemas A Matéria em Movimento Conceituação e compreensão dos ecossistemas o que são e como funcionam OBJETIVO DE APRENDIZADO Matéria Energia e Sistemas Ecossistemas Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja uma maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional siga algumas recomendações básicas Assim Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina Por exemplo você poderá determinar um dia e horário fixos como o seu momento do estudo Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar lembrese de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo No material de cada Unidade há leituras indicadas Entre elas artigos científicos livros vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade Além disso você também encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar que ampliarão sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados Após o contato com o conteúdo proposto participe dos debates mediados em fóruns de discussão pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento além de propiciar o contato com seus colegas e tutores o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e aprendizagem Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte Mantenha o foco Evite se distrair com as redes sociais Mantenha o foco Evite se distrair com as redes sociais Determine um horário fixo para estudar Aproveite as indicações de Material Complementar Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar lembrese de que uma Não se esqueça de se alimentar e se manter hidratado Aproveite as Conserve seu material e local de estudos sempre organizados Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias Isso amplia a aprendizagem Seja original Nunca plagie trabalhos UNIDADE Matéria Energia e Sistemas Ecossistemas Introdução Para entender como os ecossistemas funcionam e de que maneira ocorre o fluxo de energia neles precisamos compreender os conceitos sobre matéria energia e sistemas pois são a base de sustentação da vida nos diferentes ecossistemas Matéria De acordo com Miller Junior 2013 a matéria consiste em elementos e com postos que são por sua vez constituídos de átomos íons e moléculas Num conceito mais amplo matéria é tudo aquilo que tem massa e ocupa lugar no espaço podendo existir em três estados físicos sólido líquido e vapor dependendo de sua temperatura Além do estado físico a matéria também pode existir sob duas formas químicas os elementos e os compostos Elemento é um tipo fundamental de matéria que possui um conjunto único de propriedades e não pode ser decomposto em substâncias mais simples por meios químicos Compostos são combinações de dois ou mais elementos diferentes unidos em proporções fixas Cobre Ouro Alumínio Mercúrio Figura 1 Exemplos de Elementos Químicos Naturais Fonte Adaptado de iStock Getty Images Figura 2 Água exemplo de composto Fonte Adaptado de iStock Getty Images 8 9 Unidades Básicas da Matéria Átomo é a unidade mais básica que compõem a matéria É a menor unidade de matéria que um elemento pode ser dividido e manter suas propriedades químicas características Na química a teoria atômica afi rma que todos os elementos são formados por átomos Átomos são extremamente pequenos apresentam uma estrutura interna onde estão localizadas as partículas subatômicas os nêutrons n sem carga elétrica os prótons p com carga elétrica positiva e os elétrons e com carga elétrica negativa Contém um centro muito pequeno denominado núcleo onde estão os prótons e nêutrons e se movimentando ao redor do núcleo estão os elétrons Cada átomo tem um número igual de prótons carregados positivamente e elétrons carregados negativamente Cada elemento tem um número atômico único igual ao número de prótons no núcleo de seu átomo por exemplo o carbono C possui 6 prótons em seu núcleo tem número atômico 6 já o urânio U tem 92 prótons em seu núcleo e número atômico 92 Como os elétrons têm pouca massa em comparação a prótons e nêutrons a maior parte da massa do átomo está concentrada em seu núcleo A massa de um átomo é descrita pelo seu número de massa que é o número total de prótons e nêutrons em seu núcleo Seguindo com o exemplo acima um átomo de carbono com 6 prótons e 6 nêutrons em seu núcleo tem número de massa 12 Molécula a segunda unidade básica da matéria é uma combinação de dois ou mais átomos de elementos iguais ou diferentes mantidos unidos através de forças denominadas ligações químicas Moléculas são unidades básicas de muitos compostos um exemplo já citado é a água formada por 2 átomos de hidrogênio e de oxigênio unidos por ligações químicas Íon a terceira unidade básica da matéria assim como os átomos os íons são formados por prótons nêutrons e elétrons Um íon positivo é formado quando um átomo perde um ou mais de seus elétrons de carga negativa e um íon negativo se forma quando um átomo ganha um ou mais elétrons carregados negativamente Um exemplo importante de íon muito utilizado nos ecossistemas é o íon nitrato NO3 nutriente essencial para o crescimento das plantas Para mostrar o número de cada tipo de átomo ou íon em um composto utilizamos a fórmula química por exemplo a água é um composto molecular formado por moléculas de H2O O Cloreto de sódio NaCl é um composto iônico formado por íons positivos sódio Na e íons negativos cloreto Cl A matéria consiste em elementos e compostos que são constituídos de átomos íons ou moléculas Explor 9 UNIDADE Matéria Energia e Sistemas Ecossistemas Alterações da Matéria De acordo com Miller Junior 2013 Quando uma amostra de matéria sofre uma alteração física não há nenhu ma modificação em sua composição química por exemplo a água no esta do sólido gelo se derrete e quando está no estado líquido ferve a água lí quida ou o vapor dágua resultantes ainda serão feitos de moléculas de H2O Quando uma alteração ou reação química ocorre há uma mudança na composi ção química das substâncias envolvidas por exemplo o carvão é constituído quase na sua totalidade pelo elemento carbono C quando queimado completamente o carbono sólido no carvão combinase com o oxigênio O2 atmosférico e forma o composto gasoso CO2 dióxido de carbono Podemos mudar os elementos e compostos de uma forma física ou química para outra mas jamais criar ou destruir nenhum dos átomos envolvidos em qualquer mudança física ou química O que podemos fazer de acordo com Miller Junior 2013 é reorganizar os átomos íons ou moléculas em diferentes padrões espaciais mudanças físicas ou combinações químicas mudanças químicas Esses fatos baseados em milhares de medições descrevem uma lei científica conhecida como Lei da conservação da matéria Sempre que a matéria sofre uma alteração física ou química nenhum átomo é criado ou destruído É a Lei da conservação da matéria Explor Energia Energia é a capacidade de algo de realizar trabalho ou seja gerar força num de terminado corpo substância ou sistema físico Na Física a energia está associada à capacidade de qualquer corpo de produzir trabalho ação ou movimento ou ainda com a transferência de calor Existem dois tipos de energia em movimento energia cinética e armazenada energia potencial A matéria em movimento tem energia cinética por exemplo água corrente eletricidade e vento Outro tipo de energia é a energia potencial que é armazenada e disponível para uso Por exemplo citamos a água em reservatórios represa a energia química armazenada nos átomos de carbono do carvão Podemos transformar a energia potencial em energia cinética Quando a água em um reservatório flui através de canais em uma represa a energia potencial se transforma em cinética que pode ser utilizada para girar as turbinas da barragem para a produção de eletricidade uma outra forma de energia cinética 10 11 Todo ser vivo precisa de energia que é utilizada para construção do organismo realização de suas atividades movimentos manutenção da temperatura para todas as reações químicas Os seres vivos são constituídos por moléculas orgânicas formadas por extensas cadeias de carbono quanto maior for a molécula maior será a quantidade de energia necessária para sintetizála e maior será a quantidade de energia nela armazenada e disponível para as necessidades metabólicas do ser vivo Toda a energia utilizada pelos seres vivos vem da luz solar através da fotossíntese as plantas verdes captam a energia luminosa do sol transformandoa em energia química contida em alimentos Mudanças de Energia x Leis da Termodinâmica Termodinâmica é o estudo das transformações de energia Segundo Miller Junior 2013 os cientistas após observarem e medirem a energia sendo trans formada de uma forma em outra em milhões de mudanças físicas e químicas resumiram seus resultados na primeira lei da termodinâmica também conhecida como lei da conservação da energia De acordo com essa lei sempre que a energia é convertida de uma forma em outra por meio de uma alteração física ou química nenhuma energia é criada ou destruída Muitos experimentos mostraram que sempre que a energia é convertida de uma forma em outra seja por alteração física ou química acabamos com uma energia de menor qualidade ou menos utilizável do que a energia original Essa afirmação nos coloca diante da segunda lei da termodinâmica quando a energia é alterada de uma forma em outra ela sempre se transforma de uma forma mais útil em outra menos útil Uma vez que energia concentrada em uma porção de alimento um litro de gasolina ou até mesmo em um pedaço de urânio é lançada ela se degrada em calor a baixa qualidade e se dispersa no meio ambiente a baixa temperatura Para conservar e administrar com sucesso os recursos biológicos devese compreender os conceitos básicos de energia e o fluxo de energia nos ecossistemas A energia flui em sentido único em um ecossistema A primeira e a segunda lei da termodinâmica dizem quais os limites da produção e da eficiência de energia em um ecossistema 11 UNIDADE Matéria Energia e Sistemas Ecossistemas Figura 3 Energia Solar nos Oceanos Fonte iStock Getty Images Na figura ao lado uma grande quan tidade de energia solar é armazenada como calor nos oceanos A energia do sol sustenta a vida humana e as econo mias Essa energia é produzida longe da Terra por fusão nuclear Sistemas É um conjunto de elementos interdependentes de modo a formar um todo organizado Todo sistema possui um objetivo geral a ser atingido As relações ecológicas acontecem sempre dentro de um sistema ecológico e por isso é importante falarmos um pouco sobre os sistemas Os sistemas ecológicos são um grupo de itens biológicos interagindo regular ou interdependentemente formando um todo unificado que funciona num con texto ecológico Um sistema ecológico pode conter um único organismo uma população ou até mesmo a biosfera inteira da Terra Cada sistema ecológico menor é um subconjunto de um próximo maior formando uma hierarquia de tamanho Todos os sistemas ecológicos dependem da transformação de energia Para a maioria dos sistemas a fonte de energia em última instância é a luz do Sol Na Terra as plantas usam a luz solar para sintetizar moléculas orgânicas a partir do dióxido de carbono e da água A maioria dos sistemas tem os seguintes componentes principais as entradas oriundas do meio ambiente os fluxos ou produtividade de matéria e energia dentro do sistema e as saídas para o meio ambiente ENTRADAS do meio ambiente Recursos Enérgicos Recursos Materiais Informação PRODUTIVIDADE Processos do Sistema SAÍDAS do meio ambiente Trabalho ou produtos Resíduos e Poluição Calor Figura 4 Modelo simplificado de um Sistema 12 13 Um sistema pode se tornar insustentável se a produtividade de recursos materiais e energia excederem as capacidades do meio ambiente de fornecer os recursos necessários e de absorver ou diluir os resíduos poluentes e calor resultantes Ecossistemas Conceitos Segundo Ricklefs 2010 em A Economia da Natureza ao longo de suas vidas os organismos transformam energia e processam materiais Para executar isso os organismos devem adquirir energia e nutrientes dos seus arredores e se livrar de produtos indesejados de rejeito Ao fazer isso modificam as condiç õ es do ambiente e os recursos disponíveis para outros organismos e contribuem para os fluxos de energia e o ciclo de elementos químicos no mundo natural Os conjuntos de organismos com seus ambientes físicos e químicos formam um ecossistema Os ecossistemas são sistemas ecológicos complexos e grandes às vezes incluindo muitos milhares de diferentes tipos de organismos vivendo cada um numa grande variedade de meios Podemos pensar em um ecossistema como um organismo que tem processos internos e troca com os arredores externos Assim podemos tratar o organismo e o ecossistema como sistemas ecológicos Todos os ecossis temas estão interligados juntos numa única biosfera que inclui todos os ambientes e organismos da Terra As partes distantes da biosfera são interligadas por meio de trocas de energia e nutrientes transportados por correntes de vento e água e pelo movimento dos organismos A água que flui de uma nascente até um estuário conecta os ecossistemas terrestre e aquático da bacia hidrográfica com os do reino marinho A energia e a matéria também se movem entre diferentes tipos de ecos sistemas na biosfera A biosfera é o sistema ecológico final Externo à biosfera você encontrará somente a luz do Sol viajando em direção ao nosso planeta e a escuridão fria do espaço Exceto pela energia que chega do Sol e pelo calor perdido para as profundezas do espaço todas as transformações da biosfera são internas Temos toda a matéria que teremos sempre nossos rejeitos não têm nenhum lugar para ir e devem ser reciclados no interior da biosfera RICKLEFS 2010 O estudo de ecossistemas lida com o movimento de energia e matéria e como estes movimentos são influenciados pelo clima e outros fatores físicos O funcionamento do ecossistema reflete as atividades dos organismos assim como das transformações físicas e químicas da energia e matéria no solo na atmosfera e na água 13 UNIDADE Matéria Energia e Sistemas Ecossistemas Figura 5 Diferentes partes da biosfera estão interligadas pelo movimento do ar da água e dos organismos Fonte Ricklefs em A Economia da Natureza 2010 Pág 04 Principais Componentes de um Ecossistema Definimos um ecossistema como um conjunto de organismos e um ambiente físico todos interagindo através de um fluxo unidirecional de energia e um ciclo de nutrientes É um sistema aberto porque exige aportes contínuos de energia e nutrientes para se sustentar STARR 2012 A biosfera e seus ecossistemas são formados de componentes vivos bióticos e não vivos abióticos Exemplos destes últimos são a água o ar nutrientes rochas calor e energia solar Componentes vivos incluem plantas animais micróbios e todos os outros organismos Cada tipo de organismo em um ecossistema possui um nível alimentar ou nível trófico dependendo de suas fontes de alimento ou nutrientes Em geral podemos classificar os organismos vivos que transferem energia e nutrientes de um nível trófico a outro dentro de um ecossistema como produtores consumidores e decompositores Produtores esses autótrofos ou autoalimentadores obtêm energia de uma fonte não viva geralmente luz solar e a utilizam para construir compostos orgânicos a partir de dióxido de carbono e água Plantas e fitoplâncton são os principais produtores Eles capturam energia do sol para montar açúcares a partir de dióxido de carbono e água pelo processo da fotossíntese 14 15 Consumidores são heterótrofos que obtêm energia e carbono ao se alimentar de tecidos detritos e restos de produtores e de outros heterótrofos Podemos descrever os consumidores por suas dietas Herbívoros comem plantas Carnívoros comem outros animais Parasitas vivem dentro de ou em um hospedeiro vivo e se alimentam de seus tecidos Onívoros devoram materiais animais e vegetais Detritívoros como minhocas comem pequenas partículas de matéria orgânica ou detrito Decompositores são consumidores que no processo de obter seus próprios nutrientes metabolizam resíduos ou restos de plantas e animais e devolvem ao solo à água e ao ar para serem utilizados pelos produtores Os principais decompositores são bactérias e fungos Os decompositores e detritívoros muitos dos quais são organismos microscópi cos são fundamentais na ciclagem de nutrientes Sem eles o planeta estaria com pletamente sobrecarregado de lixo de plantas dejetos e corpos de animais mortos e lixo em geral A energia flui pelos ecossistemas em cadeias e teias alimentares A energia química armazenada como nutrientes nos corpos e resíduos de organismos flui pelos ecossistemas de um nível trófico alimentar a outro Por exemplo uma planta usa energia solar para armazenar energia química em uma folha Uma lagarta come a folha uma andorinha come a lagarta e um gavião come a andorinha Os decompositores e detritívoros consomem os resíduos e restos de todos os membros desta e de outras cadeias alimentares e devolvem os nutrientes ao solo para ser reutilizados pelos produtores Uma sequência de organismos cada um servindo como fonte de alimento ou energia para o próximo é chamada cadeia alimentar Em ecossistemas naturais a maioria dos consumidores alimentase de mais de um tipo de organismo e a maioria dos organismos é comida ou decomposta por mais de um tipo de consumidor Por causa disso os organismos na maioria dos ecossistemas formam uma rede complexa de cadeias alimentares interconectadas chamadas teias alimentares MILLER JUNIOR 2012 15 UNIDADE Matéria Energia e Sistemas Ecossistemas Calor Calor Calor Calor Calor Calor Calor Primeiro nível trófco Produtores plantas Terceiro nível trófco Consumidores secundários carnívoros Quarto nível trófco Consumidores terciários carnívoros superiores Segundo nível trófco Consumidores primários herbívoros Energia solar Decompositores e detritívoros Figura 6 Fonte Adaptado de iStock Getty Images As setas mostram como a energia química em nutrientes flui pelos vários níveis tróficos nas transferências de energia a maior parte da energia e degradada em calor de acordo com a segunda lei da termodinâmica Os Caminhos da Energia no Ecossistema Circulação de energia e transformações de materiais são os dois fenômenos básicos responsáveis pela vida O fluxo de energia é possível graças à presença de uma fonte primária que é o Sol a matéria sais minerais e elementos químicos é sempre reaproveitada circulando entre todos os seres vivos que pertencem ao ecossistema através das relações de alimentação Como vimos as espécies podem ser classificadas em função da sua posição na sequência de alimentação denominada nível trófico Em todo ecossistema existem três níveis tróficos básicos os produtores os consumidores e os decompositores Para a maior parte dos ecossistemas a principal fonte de energia é o Sol Sem ele não poderia haver vida no planeta Estimase que da energia solar que incide sobre as camadas superiores da atmosfera 47 alcançam a superfície terrestre e apenas de 1 a 2 são incorporadas aos ecossistemas através da fotossíntese A energia solar refletida é responsável pela luminosidade da Terra para quem a vê do espaço A energia absorvida principalmente sob a forma de calor promove o aquecimento e a circulação da atmosfera gerando os ventos frentes frias e outros fenômenos atmosféricos e climáticos No ecossistema a energia entra em cada nível trófico na forma de alimento e é em grande parte utilizada pelos organismos para se manterem vivos através de várias atividades como divisão celular movimento reações químicas reprodução que exigem a transformação realizada através da respiração da energia química do alimento em outras formas Com isso uma parcela significativa de energia é perdida para o ambiente na forma de calor Considerase energia perdida 16 17 porque o ser vivo não tem capacidade de aproveitar o calor ambiental como fonte energética E como o alimento nunca retorna ao nível trófico anterior fica claro que a energia utilizada não pode ser reaproveitada Por isso o fluxo de energia só pode ser unidirecional indo do produtor ao decompositor Consequentemente o montante de energia disponível por estar armazenada no corpo dos organismos na forma de alimento é progressivamente menor nos níveis tróficos sucessivos de uma cadeia alimentar De modo geral cada nível trófico recebe 10 da energia que o anterior obteve A medida indireta da energia acumulada pode ser feita através da biomassa que é a quantidade total de matéria orgânica disponível incluindo todas as partes do corpo do organismo bem como os seus restos folhas secas excrementos e a matéria em decomposição cadáveres frutos podres Ela pode ser expressa em termos de massa seca gramas ou Kg ou em termos de massaárea gramasm2 ou Kgm2 o que facilita as comparações Avaliações da biomassa dos vários níveis tróficos permitem ter uma visão da quantidade de energia armazenada no ecossis tema num determinado instante Sol Espaço Radiação solar 100 19 absorção H2O vapor dágua e O3 ozônio 37 47 41 Absorção Nuvens 37 Refexão volta para o espaço Poeira Calor 4 refexão volta para o espaço Superfície terrestre 2 Ecossistemas Decompositor Bactérias 10 Consumidor secundário Aranha 90 respiração Consumidor Primário Gafanhoto 90 respiração 10 10 Campim Produtor 90 respiração Respiração Energia Química Energia Solar Calor Calor Calor Calor Figura 7 Fluxo de energia solar em um ecossistema Fonte Adaptado de iStock Getty Images 17 UNIDADE Matéria Energia e Sistemas Ecossistemas Todo fluxo de energia obedece às 02 primeiras leis da Termodinâmica Num ecossistema fechado a energia não se perde mas transformase de uma for ma para outra Em todas as transformações de energia sempre há uma perda sob a forma de calor Fluxo de Energia e Produtividade através de Ecossistemas Para se referir à velocidade do processo de produção ou transferência de energia entre níveis tróficos recorrese ao conceito de produtividade que consiste na quantidade e energia biomassa que flui transformada ou transferida em função do tempo Pode ser expressa de várias maneiras a unidade gCm2ano indica a quantidade em gamas do elemento químico carbono que foi incorporada em moléculas orgânicas por m2 a cada ano A produtividade pode ser classificada em Produtividade Primária Bruta PPB taxa em que os produtores de um ecossistema plantas protistas em geral podem converter energia solar em energia química na forma de biomassa encontrada em seus tecidos Produtividade Primária Líquida PPL é a taxa em que os produtores usam a fotossíntese para produzir e armazenar a energia química menos a taxa em que usam essa energia armazenada através da respiração aeróbica PPL PPB R Produtividade Secundária Bruta PSB quantidade de energia obtida pelos consumidores primários ao comerem os produtores Produtividade Secundária Líquida PSL produtividade secundária bruta menos a energia dispendida na respiração dos consumidores primários PSL PSB R A produtividade primária líquida é maior nas regiões tropicais onde estão as florestas pântanos e recifes de coral e decresce progressivamente em direção aos polos embora sua média seja baixa em mar aberto o seu total mundial é muito significativo porque os oceanos ocupam 71 da superfície terrestre A produtividade total dos oceanos equivale à metade do total continental e sua biomassa é 470 vezes menor A formação de biomassa volumosa exige gastos energéticos e portanto muito consumo de oxigênio gerado pela produtividade Para ecossistemas terrestres o principal fator limitante da produtividade primária é o clima temperatura e chuvas Nas regiões tropicais encontramse as maiores temperaturas e precipitações o que favorece o surgimento de florestas e pântanos mais produtivos Nos ecossistemas marinhos a produtividade líquida é limitada pelos nutrientes nitrogênio e fósforo que são insuficientes na superfície até 300m de profundidade onde penetra luz de grande parte dos oceanos A produtividade é maior nas zonas de ressurgência onde sobem correntes profundas trazendo nutrientes nos recifes de coral que mantém um ciclo fechado de nutrientes e nos estuários que recebem água dos rios rica em nutrientes SARIEGO 194 18 19 Eficiência Ecológica Quando o interesse está voltado para aproveitar ao máximo a energia solar na produção de alimentos ou reduzir as perdas de biomassa nas passagens de nível trófico não basta conhecer a produtividade ou a biomassa de cada elo da cadeia alimentar É preciso também avaliar a eficiência do ecossistema como transformador de energia o que é feito pela medida da eficiência ecológica a razão entre a energia que sai e a energia que entra em cada nível trófico De acordo com Cecie Starr 2013 entre 5 e 30 da energia nos tecidos dos organismos em um nível trófico terminam nos tecidos daqueles no nível trófico seguinte Vários fatores influenciam a eficiência de transferência Primeiro nem toda energia coletada por consumidores é utilizada para construir biomassa Uma parte é perdida como calor metabólico Segundo nem toda biomassa pode ser digerida pela maioria dos consumidores Poucos herbívoros têm capacidade de decompor a lignina e a celulose que reforçam os corpos da maioria das plantas terrestres Da mesma forma muitos animais têm alguma biomassa presa em um esqueleto interno ou externo Pelos penas e cabelos fazem parte da biomassa difícil de digerir A eficiência ecológica de transferências de energia normalmente é maior em ecossistemas aquáticos do que em terra Algas não tem lignina e assim são mais facilmente digeridas do que plantas terrestres Além disso ecossistemas aquáticos normalmente tem uma proporção maior de ectotermos animais de sangue frio como peixes do que ecossistemas terrestres Ectotermos perdem menos energia como calor do que endotermos animais de sangue quente portanto mais energia é transferida para o nível trófico seguinte Maiores eficiências de transferência permitem cadeias alimentares mais longa Pântanos e mangues Floresta tropical Floresta temperada Floresta de coníferas do norte taiga Savana Terra agrícola Bosques e parques Pastagens temperadas Tundra ártica e alpina Vegetação de deserto Deserto extremo Ecossistemas aquáticos Estuários Lagos e rios Plataforma continental Oceano aberto 800 1600 2400 3200 4000 4800 5600 6400 7200 8000 8800 9600 Produtividade primária líquida média kcalm2a Ecossistemas terrestres Figura 8 19 UNIDADE Matéria Energia e Sistemas Ecossistemas Medida Anual da Produtividade Primária Líquida estimada em zonas importantes de vida e de ecossistemas e mostrada nesse gráfico medida em quilocalorias de energia produzida por metro quadrado por ano Kcalm2ano A Matéria em Movimento O que acontece com a Matéria em um Ecossistema Nos ecossistemas o fluxo de energia é unidirecional mas o da matéria é cíclico graças à ação dos decompositores que a torna disponível para os produtores Tratase de substâncias químicas nutrientes indispensáveis à síntese de matéria orgânica e ao funcionamento do organismo Os elementos e compostos que formam os nutrientes movemse continuamente pelo ar água solo rochas e organismos vivos nos ecossistemas bem como na biosfera nos chamados ciclos biogeoquímicos ou ciclo de nutrientes Esses ciclos dirigidos direta ou indiretamente pela energia solar recebida e pela gravidade da Terra incluem os hidrológicos água os de carbono de nitrogênio de fósforo de enxofre e outros Conforme os nutrientes se movem pelos seus ciclos biogeoquímicos podem se acumular em determinadas partes destes e assim permanecer períodos de tempo diferentes Esses locais de armazenamento temporário como a atmosfera os oceanos e outros corpos de água e depósitos subterrâneos são chamados reservatórios Há dois tipos de ciclos biogeoquímicos sedimentar e gasoso O sedimentar ou local tem como reservatório a crosta terrestre e ocorre dentro dos limites de um ecossistema tendo âmbito local como ocorre com o enxofre e o cálcio O ciclo gasoso ou global tem como reservatório a atmosfera ou os mares e seu âmbito é amplo envolvendo todo o planeta é o caso do ciclo da água do nitrogênio e do oxigênio 20 u nid ad es a no 13 unid adesan o 4 un id ad es a no N ut riç ão 4 un id ad es a n o 20 u ni da de s a n o de co mp os it or es 4000 unidades 1000 unidades 5000 unidades 50 unidades 100 unidades Produtores 16 unidadesano Matéria orgânica Consumidores Solo Atmosfera estoque taxa de fuxo morte 7 unidadesano 7 unidadesano Figura 9 20 21 Reservatórios Cada ciclo pode ser caracterizado pelo estoque que e a quantidade do nutriente existente em cada compartimento pelo tipo de reservatório e pela velocidade do movimento do nutriente entre dois compartimentos chamada taxa de fl uxo Neste ciclo biogeoquímico hipotetico a materia orgânica e a atmosfera caracterizamse como reservatórios A velocidade de circulação de nutriente e maior em direção aos compartimentos solo e produtores Ciclos biogeoquímicos importantes De acordo com Sariego 1995 e Miller Junior 2012 a Ciclo da água o ciclo da água consiste na evaporação formação de nuvens e precipitação na forma líquida chuva orvalho nevoeiro ou sólida neve granizo A presença da vegetação regula a umidade atmosférica e as chuvas além de proteger o solo da erosão Já nas cidades e áreas desmatadas ocorre o fenômeno inverso estando o solo impermeabilizado pela cobertura de asfalto e construções ou totalmente exposto e desprotegido a água da chuva é rapidamente escoada e perdida para os rios Infltração e percolação no aquífero Oceano Poluição da água Aumento do escoamento pelo desmatamento de forestas e uso das áreas alagadas Precipitação sobre o oceano Evaporação do oceano Evaporação das águas de superfície Lagos e reservatórios Gelo e Neve Águas subterrâneas em aquíferos Aumento do escoamento em terrenos cobertos com culturas edifícios e pavimentação Extração excessiva dos aquíferos Escoamento Condensação Transpiração das plantas Escoamento Processo natural Reservatório natural Impactos humanos Caminho natural Caminho afetado pelas atividades humanas Figura 10 Fonte Adaptado de iStock Getty Images Modelo simplifi cado do ciclo da água no qual a água circula em várias formas física na biosfera Os principais impactos humanos são mostrados pelas setas e caixas vermelhas 21 UNIDADE Matéria Energia e Sistemas Ecossistemas b Ciclo do Carbono o carbono é um elemento fundamental na formação de proteínas carboidratos e lipídeos responsáveis por um terço do nosso peso corporal Na Terra uma grande quantidade de carbono está armazenada nas rochas sedimentares na forma de carbonato de cálcio e magnésio ou de combustíveis fósseis petróleo e carvão Nossa atividade industrial tem introduzido carbono dessas fontes em seu ciclo natural Entre os compartimentos do ciclo do carbono são os oceanos que estocam em maiores quantidades uma pequena parte na forma de gás carbônico dissolvido na água e a maior parcela na forma de íons carbonato e bicarbonato Mas é na atmosfera como gás carbônico que o carbono se apresenta disponível para ser utilizado pelos vegetais na fotossíntese e assim transformarse em alimento para o restante da cadeia alimentar Ele retorna para a atmosfera pelos processos de respiração bem como pela combustão de matéria orgânica As floretas são as grandes fixadoras terrestres do carbono existente na atmosfera Somente as tropicais contém cerca de 350 bilhões de toneladas de carbono quase a metade do que possui a atmosfera sendo que cada hectare retira da atmosfera em média 9 kg de carbono por ano Figura 11 Fonte Adaptado de iStock Getty Images Modelo simplificado ilustrando a circulação de várias formas de carbono no ciclo global com impactos nocivos de atividades humanas indicados pelas setas vermelhas 22 23 c Ciclo do Oxigênio este ciclo está estreitamento ligado ao do carbono O oxigênio surgiu na Terra graças à fotossíntese que utiliza gás carbônico como matéria prima A principal evidência da origem biológica do oxigênio é a ausência de minerais oxidados óxidos de ferro nas rochas sedimentares primitivas Quando o oxigênio atmosférico reage com os minerais do solo oxidaos Dessa forma fica indisponível aos seres vivos Atualmente a grande fonte de oxigênio são as algas marinhas que produzem de 80 a 90 do oxigênio atmosférico Absorção Microorganismos decompositores Morte e decomposição Transpiração vegetal CO2 atmosférico Fotossíntese O2 atmosférico Respiração H2O vapor Assimilação pelos herbívoros Utilização por plantas Transpiração animal Condensação curva H2O líquida Transpiração do solo Figura 12 Fonte MILLER JUNIOR 2013 pg 73 d Ciclo do Nitrogênio o nitrogênio é o elemento químico característico e fundamental dos aminoácidos que formam as proteínas e das bases nitro genadas que constituem os ácidos nucleicos DNA e RNA Sem proteínas e ácidos nucleicos não há vida Mesmo os mais simples seres vivos os vírus são formados por essas substâncias A atmosfera é o compartimento que mais armazena nitrogênio na forma gasosa N2 nela também podem ser en contrados óxido de nitrogênio NO e NO2 resultantes da reação do N2 com o O2 A grande maioria dos vegetais não consegue absorver o nitrogênio atmosférico As raízes somente conseguem absorver o nitrogênio na forma iônica de nitrato quando dissolvido na água Esse é o reservatório no solo e no oceano de nitrogênio disponível para os produtores Há dois processos biológicos pelos quais o nitrogênio tornase disponível aos vegetais Um é a fixação biológica direta realizada pelas algas cianofíceas no ambiente aquá tico por bactérias de vida livre no solo e por bactérias simbiontes que vivem em nódulos nas raízes de leguminosas Esses organismos produzem amônia a partir de N2 atmosférico O outro processo é a nitrificação realizada por bactérias quimiossintetizantes do solo pela qual a amônia é transformada em nitrato em duas etapas a nitrosação e a nitratatação 23 UNIDADE Matéria Energia e Sistemas Ecossistemas As fontes de amônia importante para esse processo são os adubos nitrogenados os relâmpagos a excreção de animais e a decomposição da matéria orgânica Parte do nitrato do solo e do mar é perdida para a atmosfera e transformada em N2 devido à ação de bactérias desnitrificantes que fecham o ciclo do nitrogênio Há uma parcela de nitrogênio que sai do ciclo quando sais de nitrato se depositam no fundo dos mares formando novas camadas de sedimentos Essa perda é compensada pelas erupções vulcânicas que liberam N2 e amônia Processo Reservatório Via afetada pelos seres humanos Via natural Tempestades elétricas Fertilizante Nitrogênio em sedimentos oceânicos Perda de nitrogênio em sedimentos do oceano profundo Nitrato no solo Decomposição Nitrogênio em animais consumidores Absorção pelas plantas Bactérias Amonia no solo Nitrogênio em plantas produtores Nitrogênio na atmosfera Denitrifcação por bactérias Nitrifcação por bactérias Atividade vulcânica O nitrogênio oxida pela queima de combustíveis e pela utilização de fertilizantes inorgânicos Nitratos do escoamento de fertilizantes e decomposição Figura 13 Fonte Adapatado de iStock Getty Images Modelo simplificado da circulação de várias formas químicas do nitrogênio durante seu ciclo em um ecossistema terrestre com os principais impactos nocivos humanos mostrados pelas setas vermelhas e Ciclo do Fósforo os componentes de fósforo circulam pela água da crosta terrestre e organismos vivos este ciclo não inclui a atmosfera O principal reservatório de fósforo são os sais de fosfato que contêm íons fosfato PO4 3 24 25 em formações rochosas terrestres e sedimentos do fundo do oceano Con forme a água corre sobre rochas expostas lentamente corrói os compostos inorgânicos que contém íons fosfatado A água corrente o transporta dis solvidos para o solo onde podem ser absorvidos pelas raízes das plantas e outros produtores Os compostos fosfatados também são transferidos por teias alimentares dos produtores aos consumidores O fosfato pode ser reti rado do ciclo por longos períodos de tempo quando é lavado da terra para córregos e rios e transportado para o oceano Nesse processo ele pode ser depositado como sedimento marinho e permanecer preso por milhões de anos Os processos geológicos podem elevar e expor esses depósitos do fundo do mar dos quais o fosfato pode ser erodido para reiniciar seu ciclo Figura 14 Fonte MILLER JUNIOR 2013 pg 73 Modelo simplifi cado da circulação de várias formas químicas de fósforo principal mente fosfatos no ciclo do fósforo com importantes consequências nocivas humanas mostradas pelas setas vermelhas f Ciclo do Enxofre o enxofre apresenta um ciclo com dois reservatórios um maior nos sedimentos da crosta terrestre e outro menor na atmosfera Nos sedimentos o enxofre permanece armazenado na forma de minerais de sulfato Com a erosão fica dissolvido na água do solo e assume a forma iônica de sulfato SO4 sendo assim facilmente absorvido pelas raízes dos vegetais Na atmosfera 75 do enxofre está combinado com o oxigênio formando o dióxido de enxofre SO2 Outra parcela está na forma de anidri do sulfídrico SO3 O gás sulfídrico H2S tem vida curta na atmosfera sendo depois de algumas horas transformado em SO2 Esses óxidos incorporamse ao solo com as chuvas sendo então transformados em íons sulfatos SO4 25 UNIDADE Matéria Energia e Sistemas Ecossistemas Podem também ser capturados diretamente pelas folhas das plantas num processo chamado de absorção para serem usados na fabricação de amino ácidos O único retorno natural do enxofre para atmosfera é através da ação de decompositores que produzem gás sulfídrico Processo Reservatório Via afetada pelos seres humanos Via natural Dióxido de enxofre na atmosfera Refno de combustíveis fósseis Queima do carvão Fundições Enxofre em animais consumidores Absorção pelas plantas Decomposição Enxofre em plantas produtores Decomposição Enxofre no solo rocha e em combustíveis fósseis Mineração e extração Enxofre no solo rocha e em combustíveis fósseis Enxofre em sedimentos oceânicos Dimetilsulfureto o subproduto de uma bactéria Ácido sulfúrico e Sulfato depositados como chuva ácida Figura 15 Fonte Adapatado de iStock Getty Images Modelo simplificado da circulação de várias formas de enxofre no seu ciclo com impac tos nocivos das atividades humanas mostradas pelas setas vermelhas 26 27 g Ciclo do Cálcio a principal fonte de cálcio são as rochas que o incorporam na forma mineralizada Pela erosão o cálcio pode ser dissolvido na água do solo em forma iônica e assim ser absorvido pelas raízes Desse modo o principal reservatório de cálcio disponível aos vegetais terrestres é o solo Este pode perder o cálcio para a atmosfera pelos ventos que carregam mi núsculas partículas de solo e pela lixiviação a lavagem do solo que a chuvas realizam arrastando os nutrientes para os rios Tanto os oceanos quanto os continentes recebem o cálcio da atmosfera pelas chuvas e das rochas que são erodidas Os oceanos têm fonte adicional desse nutriente os rios Figura 16 Fonte SARIEGO Educação Ambiental As ameaças ao planeta azul Pág 107 Estudo detalhado do ciclo do cálcio em ambiente terrestre durante a decada de 1960 pelos ecólogos Bormmam e Likens numa fl oresta em Hampshire EUA Eles notaram que a perda de cálcio para o ambiente por meio do vento e da lixiviação avaliada 12kg háano era superior ao ganho a partir da atmosfera e da erosão da rocha total de 117 kgháano Isso signifi ca um balanço de cálcio ligeiramente negativo para esse ecos sistema Eles tambem observaram que a retirada da vegetação fazia com que essas perdas principalmente pela lixiviação fossem ate 8 vezes maiores que o normal acar retando umaacidifi cação e empobrecimento do solo 27 UNIDADE Matéria Energia e Sistemas Ecossistemas Importante O que é matéria A matéria consiste em elementos e compostos que são por sua vez constituídos de átomos íons ou moléculas O que acontece com a matéria quando sofre alterações Sempre que a matéria sofre uma alteração física ou química nenhum átomo é criado ou destruído Lei da Conservação da Matéria O que é energia e o que acontece quando ela sofre mudanças Sempre que a energia é convertida de uma forma em outra em uma alteração física ou química acabase tendo uma energia de menor qualidade ou menos utilizável do que a original Segunda Lei da Termodinâmica O que são sistemas e como eles respondem à mudança Sistemas têm entradas fluxos e saídas de matéria e energia e a retroalimentação pode alterar seu comportamento O que nos mantém e a outros organismos vivos Os quatros principais componentes do sistema terrestre de suporte à vida são atmosfera ar hidrosfera água litosfera rochas solos e sedimentos e a biosfera seres vivos A vida é sustentada pelo fluxo de energia do sol através da biosfera pelo ciclo dos nutrientes dentro da biosfera e pela gravidade Quais são os principais componentes de um ecossistema Alguns organismos produzem os nutrientes de que precisam outros obtêm ao consumir outros organismos além disso alguns reciclam os nutrientes de volta para os produtores pela decomposição dos resíduos e pelos restos de outros organismos O que acontece com a energia em um ecossistema Como a energia flui em ecossistemas em cadeias e teias alimentares a quantidade de energia química disponível aos organismos em cada nível trófico sucessivo de alimentação diminui O que acontece com a matéria em um ecossistema Matéria na forma de nutrientes circula dentro e entre os ecossistemas e a biosfera e as atividades humanas estão alterando esses ciclos químicos Em Síntese 28 29 Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade Livros Química a Ciência Central BROWN T L Química a Ciência Central São Paulo Pearson Prentice Hall 2005 Ciência Ambiental MILLER JUNIOR G T Ciência Ambiental 11 ed São Paulo CENGAGE Learning 2007 Vídeos Quão pequeno é o Átomo httpsyoutubeBNIH4hkA4 Fluxo de Energia entre Seres httpsyoutubeMtpIxIWLsVk Discovery na Escola Elementos de Biologia Ecossistemas Discovery Channel httpsyoutube5WVhItCdmo Leitura Leis da Termodinâmica httpsgooglzTM2Bj 29 UNIDADE Matéria Energia e Sistemas Ecossistemas Referências STARR C et al Biologia unidade e diversidade da vida Vol 3 São Paulo CEN GAGE Learning 2013 MILLER JUNIOR G T Ecologia e Sustentabilidade São Paulo CENGAGE Learning 2013 RICKEFS R E A economia da Natureza Rio de Janeiro Guanabara Koogan SA 2003 SARIEGO J C Educação Ambiental As ameaças ao planeta azul São Paulo Scipione 1994 30