CEN0148 - Ecologia de ecossistemas Universidade de São Paulo Campus “Luiz de Queiroz” Centro de Energia Nuclear na Agricultura CEN0109 ECOLOGIA GERAL Evolução conceitual e definições de ECOLOGIA e ECOLOGIA DE SISTEMAS Profs. M.Victoria R. Ballester e Reynaldo L. Victoria

Do grego: Oikos, “casa” ou “lugar para viver” e logos, “estudo” O que é Ecologia? Origem do termo: Do grego: Oikos, “casa” ou “lugar para viver” e logos, “estudo” Portanto, ECOLOGIA é a ciência que estuda como os organismos interagem uns com os outros, e com o ambiente abiótico (incluindo fatores como luz solar, temperatura, umidade, e nutrientes).

Em outras palavras ecologia é a ciência que busca entender as interações entre Atmosfera Hidrosfera Litosfera Biosfera

Termo chave: INTERAÇÃO O principal foco da ecologia é entender as interações entre organismos, populações, comunidades, ecossistemas e com seu meio físico. Ar Água Terra Vida Ciência que tem como objetivo responder perguntas sobre a estrutura e o funcionamento da natureza

Origem: A Ecologia emergiu como uma área distinta da biologia na virada do século XX, desenvolvendo rapidamente convensões próprias que a diferenciaram da biologia Porém, a ecologia de ecossitemas tem suas raízes em estudos: História Natural - Chales Darwin, Ernst Haekel, entre outros Ambiente físico – Fatores limitantes de Liebig Demografia – Malthus, Lotka- ecologia de populações Comunidades- Cowles, Elton, Clements, entre outros Dinâmica Trófica Bioenergética e Ciclos Biogeoquímicos - Forbes, Hutchinson

Aristoteles: primeiro a registrar observações a respeito da história natural de plantas e animais da terra. Não identifica claramente as relações dinâmicas e recíprocas entre o meio biótico e abiótico. “The History of Animals”, escrito em 350 A.C Por ~ 2000 anos: não existia a noção de adpatção ou de leis

1859- Charles Darwin publica “The origin of species”: Primeiro cientista a enfatizar que animais e plantas não estavam perfeitamente adaptados ao seu ambiente natural, como se acreditava até então, Representam somente as formas melhor adaptadas produzidas em um local particular, em um dado momento, por forças seletivas que, por sua vez, selecionam aquelas adaptações que são ótimas para aquelas condições, Quando as condições (bióticas ou abióticas) mudam, as adaptações necessitam mudar, Descreve um ecossitema

1927 – Elton - os conceitos de nicho e cadeia alimentar Alguns eventos importantes da teoría ecológica 1866- Ernst Haekel propoe o termo “oecologie” e publica o livro Generelle Morphologie, trabalho fortemente influenciado pela teoria de Darwin 1876- Edição inglesa das idéias de Haekel, History of creation, resalta que na doutrina de Darwin, que a adaptação provia a natureza com um tipo de lei para explicar as relações ecológicas 1927 – Elton - os conceitos de nicho e cadeia alimentar 1935- Tansley propos o termo ecossistema, para enfatizar a importância dos intercâmbios dos materiais entre componentes inorgânicos e orgânicos, bem como entre organismos

1942 – Lindeman: sugeriu que a energia que flui através de um ecossistema poderia ser usada como uma forma de quantificar os papéis dos organismos na dinâmica trófica. plantas ou produtores primários capturam a energia e a transferem aos animais ou consumidores e aos decompositores

Portanto, A produtividade das plantas limita a quantidade de consumidores que um ecossistema pode sustentar. A energia flui através de um ecossistema associada ao fluxo de carbono nos processos da fotossíntese, transferências tróficas e liberação pela respiração.

Howard e Eugene Odum: aprofundaram a abordagem de sistemas para estudar ecossistemas, enfatizando as propriedades gerais dos ecossistemas, sem documentar todos os mecanismos e interações subjacentes.

Muitas linhas do pensamento ecológico contribuíram para o desenvolvimento da ecologia do ecossistema, incluindo as idéias que se relacionam: às interações tróficas, ou seja as relações de alimentação e fluxo de energia e matéria entre organismos biogeoquímica, ou a influências biológicas nos processos químicos nos ecossistemas e a ciclagem de elementos.

Considerar o conceito de níveis de organização Ecologia no século XXI Considerar o conceito de níveis de organização Arranjo hirárquico: a interação em cada nível com o ambiente físico (energia e matéria) produz sistemas funcionais característicos Desenvolvimento formal da Teoria Ecológica

Universo Níveis de organização Galaxias Sistema Solar ? Planetas Terra Modelo conceitual hierárquico dos níveis de organização da matéria na natureza (Modif. Miller, 1998) Biosfera Ecossitemas Comunidades Vida Populações Organismos Sistemas de órgãos Órgãos Tecidos Células Protoplasma Limite Moléculas Átomos Sem vida Partículas sub-atômicas

O Princípio das Propriedades Emergentes Arranjo hierárquico: a interação em cada nível com o ambiente físico (energia e matéria) produz sistemas funcionais característicos O Princípio das Propriedades Emergentes Nível superior constituída dos níveis inferiores A complexidade é maior nos níveis superiores Níveis superiores limitam os inferiores Níveis superiores têm maior influência que os inferiores

Desenvolvimento formal da Teoria Ecológica Ecologia de ecossistemas Odum, Eugene P. 1964 : analisar a estrutura e função dos níveis de organização, além daqueles relativos aos indivíduos e espécies Van Dyne, 1966: estudo do desenvolvimento e dinâmica dos ecossistemas, incluindo as inter-relações entre as estruturas e funções bióticas e abióticas no nível de ecossistemas e o desenvolvimento de estratégias de manejo holístico.

Estrutura: componentes do meio físico e biótico do ecossitema Função: processos resultantes da interação entre os meios físico e biótico Estrutura abiótica Estrutura biótica Funções Propriedades Luz solar Temperatura Precipitação Água/umidade Nutrientes Produtor Primário Consumidor Decompositor Autótrofo Heterótrofo Fluxo de Energia Ciclagem de nutrientes Retro-alimentação Cibernética Estabilidade Elasticidade

Complexidade dos sistemas ecológios Necessidade de uma simplificação ou um modelo conceitual de funcinamento Respiração Respiração Respiração Calor Calor E Produtores Herbívoros Carnívoros Calor Calor Reserv. de Nutrientes Decompo- sitores Calor Fluxo de energia Ciclagem de nutrientes Respiração

Exportação de E armazenada (m. o. e organismos) Fluxo de E Sentido único Exportação de E armazenada (m. o. e organismos) Circuito de contrôle por retroalimentação de E e depósito de E Fonte de E (funções motrizes) Entrada de materiais (nutrientes) e organismos Exportação de mateiriais Ciclo e depósito de materiais Sumidouro de calor Autótrofos Diagrama funcional de um sistema ecológico (Odum, 1983) Heterótrofos Depósito

Características da teoría ecológica Sub-sistema empírico central: baseado em pesquisas interdisciplinares dos ecossitemas, caracterizadas por atividades de medidas compreensivas, gerando grande quantidade de dados nas últimas décadas. Estes dados são usados para integrar, organizar e melhorar o entendimento das características gerais, dos padrões e das casualidades das interações dentro e entre ecossistemas. Assim, a Teoría ecológica é construída por um conjunto hierárquico de hipóteses ecológicas compreensivas, as quais têm que ser integradas em um sistema de contextos e princípios coerentes

Hipóteses sobre as interrelações bióticas, abióticas e antropogênicas são frequentemente formuladas como MODELOS ECOLÓGICOS, os quais podem ser calibrados e validados através do uso de medidas empíricas. Portanto, modelos são uma ferramenta importante para o entendimento dos fenômenos ecológicos Caráter integrador: para explicar as interações entre os diferentes atores agindo no ecossitemas, é necessário incorporar e integrar conhecimentos de outras áreas

ECOLOGIA DE ECOSSITEMAS Química Física Ciências do solo Geociências Ciências aquáticas ECOLOGIA DE ECOSSITEMAS Ciências Biológicas Ciências sistêmicas Ciências humanas Ecologia Vegetal Ecologia Animal Biogeoquímica Ecologia de microrganismos Metereologia Bioquímica Ecotoxicologia Matemática aplicada Computação Modelagem ecológica Química do solo Física do solo Biologia do solo Geologia Geomorfologia Ecologia de paisagens Ecologia marinha Ecologia de água doce Hidrologia Termodinâmica Biofísica Economia de recursos Economia ecológica Sociologia ecológica Raízes disciplinárias da ecologia de ecossitemas como uma função da interdisciplinaridade, integração e caráter holístico Mulle, 1997

ABORDAGENS EM ESTUDOS ECOLÓGICOS Dois grandes grupos: 1- Ecologia teórica: baseada na biologia das espécies 2- Teoría Geral dos sistemas: baseada na análise de sistemas, busca o entendimento dos processos Divisões convencionais da ecologia: Autoecologia: indivíduos e espécies Demecologia: populações Sinecologia: comunidades Ecologia de ecossitemas: mais novo ramo da ecologia

Como estas abordagens se relacionam? Indivíduos Ambiente Espécies distintas Mesmas espécies Ambiente fisiológico Tempo Espaço Ecologia de ecossistemas Ecologia de comunidades Ecologia de populações Ecofisiologia Ecologia evolutiva Ecologia da paisagem

Eventos importantes que originaram a teoria ecológica moderna Análise de ecossitemas lacustres: informações básicas, desenvolvimento metodológico e teórico, novos dados. Forbes (1887), Elton (1927), Thienemann (1939) e Juday (1940). Herbívoros Carnívoros E Produtores Decompo- sitores Respiração Calor Reserv. de Nutrientes Fundamento da ecologia energética: Conceito de dinâmica trófica como função da transferência de energia entre os componentes de um ecossitema, Lindeman (1942)

Eventos importantes que originaram a teoria ecológica moderna (continuação) Princípios da ecologia de paisagens (Troll, 1939) Publicação do livro sobre fundamentos em ecologia por Eugene Odum em 1958. Abordagem funcional Ecoenergética como um conceito fundamental da análise do ecossistema (Odum, 1971, 1983) Uso de modelos como ferramenta de análise dos ecossitemas (Pattenm 1971, 72, 75; Jorgensen, 1988, entre outros)

Eventos importantes que originaram a teoria ecológica moderna (continuação) Desenvolvimento dos conceitos de estabilidade e equilíbrio: MacArtur, 1955; Margalef, 1963 e May, 1973 Primeiros projetos de pesquisa utilizando o conceito de ecossitema: Silver Springs (Odum, 1957) e Hubard Brook (Likens e Bormann, 1973) Desenvolvimento das técnicas de sensoriamento remoto e Sistemas de Informações Geográficas (1970) Estudos do integrados de ecossistemas de importância global: Antartica, Amazônia, Tundra

Pesquisas hoje: análise de sistemas Entender a estrutura e a dinâmica das interelações em redes de interações entre os componentes bióticos e abióticos em ecossitemas representativos do globo. Ex.: Boreas, LBA, seca floresta, sava-flux Analisar as relações entre as propriedades emergentes e coletivas do ecossistema, tal como diversidade, estabilidade, produtividade e capacidade de auto-organização Integrar o conhecimento científico e o monitoramento ambiental em um sistema de informação ambiental que permita o desenvolvimento de estratégias de manejo sustentável associadas a uma avaliação holística do ecossitema Todos estes estudos utilizam como arcabouço conceitual a Teoria Geral dos Sistemas