ENERGIA NOS SISTEMAS ECOLÓGICOS

Apresentação em tema: "ENERGIA NOS SISTEMAS ECOLÓGICOS"— Transcrição da apresentação:

1 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 não-disponível num sistema. Também indica o índice geral da desordem associada à degradação da energia.

2 ♦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.

3 *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).

4 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)

5 *Fluxo de luz/calor (energia) diário em ecossistemas distintos:

6 ♦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);

7 *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;

8 *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.

9 *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 = a 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: a 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;

10 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.

11 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.

12 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.

13 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.

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15 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

16 Distribuição da produção Primária:
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; 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. 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.

17 *Produção nos oceanos.

18 Produtividade primária bruta (kcal x m-1 x ano-1)
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 Terrestres Desertos e Tundras 40,0 200 0,8 Campos e Pastos 42,0 2.500 10,5 Florestas secas 9,4 2,4 Florestas boreais e coníferas 10,0 3.000 3,0 Florestas temperadas; pouco ou nenhum subsídio energético

19 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 Total e média (col. 2) para a biosfera 5.000,0 2.000 100,0

20 NÍVEIS TRÓFICOS *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.

21 *Rede Trófica

22 *Rede Trófica Oceânica

23 *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.;

24 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 . m-2 . dia-1.

25 e(t) = entrada energética em relação ao tempo; s(t) = saída energética; e/s = kcal . m-2 . ano-1.

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27 *Eficiência Ecológica:
♦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.

28 *Magnificação Biológica, Bioacumulação:
♦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 = 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.

29 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.

30 *Estrutura Trófica e Pirâmides Ecológicas:
♦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;

31 ♦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;

32 ♦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.

33 Exemplos de Pirâmides Ecológicas de(A) Números; (B)Biomassa e (C)Fluxo de Energia.

34 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 2,5 Caramujos zona entre marés (Littorina) 200 10,0 Gafanhotos de alagados marinhos (Orchelimum) 10 0,4 Camudongos do prado (Microtus) 10-2 0,6 0,7 Veado (Odocoileus) 10-5 1,1 0,5

35 Quadro 5 – Comparação entre Metabolismo Total e Densidade Populacional de microrganismos do solo.
Solo sem acréscimo de esterco Solo com acréscimo de esterco Energia dissipada: Kcal x 106/acre/ano 1 15 Densidade populacional média (No./g de solo) Bactérias x 108 1,6 2,9 Micélios de fungos x 106 0,85 1,01 Protozoários x 103 17 72