Energia e Materia nos Ecossistemas

Ecossistema (grego oykos, casa + σύστημα, sistema onde se vive) designa o conjunto formado por todas as comunidades que vivem e interagem em determinada região e pelos fatores abióticos que atuam sobre essas comunidades^[1].

Consideram-se como fatores bióticos os efeitos das diversas populações de animais, plantas e bactérias umas com as outras e abióticos os fatores externos como a água, o sol, o solo, o gelo, o vento. Em um determinado local, seja uma vegetação de cerrado, mata ciliar, caatinga, mata atlântica ou floresta amazônica, por exemplo, a todas as relações dos organismos entre si, e com seu meio ambiente chamamos ecossistema. Ou seja, podemos definir ecossistema como sendo um conjunto de comunidades interagindo entre si e agindo sobre e/ou sofrendo a ação dos fatores abióticos.

São chamados agroecossistemas quando além destes fatores, atua ao menos uma população agrícola. A alteração de um único elemento pode causar modificações em todo o sistema, podendo ocorrer a perda do equilíbrio existente. O conjunto de todos os ecossistemas do mundo forma a Biosfera.

Funcionamento

A base de um ecossistema são os produtores que são os organismos capazes de fazer fotossíntese ou quimiossíntese. Produzem e acumulam energia através de processos bioquímicos utilizando como matéria prima a água, gás carbônico e luz. Em ambientes afóticos (sem luz), também existem produtores, mas neste caso a fonte utilizada para a síntese de matéria orgânica não é luz mas a energia liberada nas reações químicas de oxidação efetuadas nas células (como por exemplo em reações de oxidação de compostos de enxofre). Este processo denominado quimiossíntese é realizado por muitas bactérias terrestres e aquáticas.

Dentro de um ecossistema existem vários tipos de consumidores, que juntos formam uma cadeia alimentar, destacam-se:

• Consumidores primários:

São os animais que se alimentam dos produtores, ou seja, as espécies herbívoras. Milhares de espécies presentes em terra ou na água, se adaptaram para consumir vegetais, sem dúvida a maior fonte de alimento do planeta. Os consumidores primários podem ser desde microscópicas larvas planctônicas, ou invertebrados bentônicos (de fundo) pastadores, até grandes mamíferos terrestres como a girafa e o elefante.

• Consumidores secundários:

São os animais que se alimentam dos herbívoros, a primeira categoria de animais carnívoros.

• Consumidores terciários:

São os grandes predadores como os tubarões, orcas e leões, os quais capturam grandes presas, sendo considerados os predadores de topo de cadeia. Tem como característica, normalmente, o grande tamanho e menores densidades populacionais.

• Decompositores ou biorredutores:

São os organismos responsáveis pela decomposição da matéria orgânica, transformando-a em nutrientes minerais que se tornam novamente disponíveis no ambiente. Os decompositores, representados pelas bactérias e fungos, são o último elo da cadeia trófica, fechando o ciclo. A seqüência de organismos relacionados pela predação constitui uma cadeia alimentar, cuja estrutura é simples, unidirecional e não ramificada.

Pirâmides de Energia

Fluxo de energia é a uma análise quantitativa de energia que flui em determinada cadeia alimentar, geralmente medida em joule/m².

O fluxo de energia pode ser analisado da seguinte maneira:

Parte da energia da presa não é assimilada pelo predador, que corresponde ao material não digerível que será disponibilizado para os decompositores. A eficiência da transferência de energia entre níveis tróficos também é reduzida devido a táticas de fuga da presa, ou de defesas químicas das plantas. Cada organismo consome boa parte de sua energia disponível em suas próprias atividades metabólicas, reduzindo a quantidade de energia disponível para os níveis tróficos superiores. Outra parte da energia de um sistema é simplesmente dissipada na forma de calor.

Pode-se perceber que são vários os fatores que propiciam a diminuição do fluxo de energia, através de cada nível trófico, conforme o nível trófico aumenta.

A pirâmide de energia consiste em representar graficamente as taxas de fluxo energético entre vários níveis tróficos. Pode-se perceber, então, que a pirâmide de energia sempre possui uma base maior, que representa os seres autótrofos e a cada nível para cima, fica mais estreita, pois representa um ser heterótrofo distinto da cadeia alimentar.

Ciclo biogeoquimicos

Esquema do Ciclo da Água, um dos principais Ciclos Biogeoquímicos.

O ciclo biogeoquímico é o percurso realizado no meio ambiente por um elemento químico essencial à vida. Ao longo do ciclo, cada elemento é absorvido e reciclado por componentes bióticos (seres vivos) e abióticos (ar, água, solo) da biosfera, e às vezes pode se acumular durante um longo período de tempo em um mesmo lugar. É por meio dos ciclos biogeoquímicos que os elementos químicos e compostos químicos são transferidos entre os organismos e entre diferentes partes do planeta.

O estudo e a compreensão dos ciclos biogeoquímicos pode ajudar a identificar potenciais impactos ambientais causados pela introdução de substâncias potencialmente perigosas nos diversos ecossistemas ^[1].

Todo ser vivo reage com seu ambiente e produz resíduos. A menos que o ambiente possa dispô-los convenientemente, pela autodepuração, eles poderão intervir no ciclo vital.

Principais ciclos

Dentre os ciclos biogeoquímicos mais conhecidos, estão o ciclo do carbono (meio pelo qual os organismos vivos adquirem sua máteria principal e que os sustentam quimicamente), o ciclo do nitrogênio ou fixação do nitrogênio (usado para produção de substâncias vitais aos organismos, feito principalmente por bactérias) o próprio ciclo da água (ciclos curtos e longos) e o ciclo do oxigênio.

Existem também o ciclo do enxofre, o ciclo do hidrogênio e o ciclo do fósforo.

• Ciclo da água

A água é a única substância que existe, em circunstâncias normais, em todos os três estados da matéria (sólido, líquido e gasoso) na Natureza. A coexistência destes três estados implica que existam transferências contínuas de água de um estado para outro; esta sequência fechada de fenômenos pelos quais a água passa do globo terrestre para a atmosfera é designado por ciclo hidrológico.

A água da evapotranspiração (nome cientifico dado ao vapor de água obtido da transpiração e da evaporação) atinge um certo nível da atmosfera em que ele se condensa, formando as nuvens. Nas nuvens, o vapor de água condensa-se formando gotículas, que permanecem em suspensão na atmosfera. Estas gotículas, sob certas condições, agregam-se formando gotas maiores que precipitam-se, ou seja, chove. A chuva pode seguir dois caminhos, ela pode infiltrar-se e formar um aquífero ou um lençol freático ou pode simplesmente escoar superficialmente até chegar a um rio, lago ou oceano, onde o ciclo continua.

• Ciclo do Carbono

Este ciclo que opera a uma escala de milhões de anos é integrado a própria estrutura do planeta e iniciou-se há cerca de 4,55 milhares de milhões de anos, quando na formação do Sistema Solar e da Terra, tendo origem nos planetesimais (pequenos corpos que se formaram a partir da nebulosa solar) e nos meteoritos portadores de carbono que colidiram com a Terra. Nesse sentido, mais de 99% do carbono terrestre está contido na litosfera, sendo a maioria carbono inorgânico, armazenado em rochas sedimentares como as rochas calcárias. O carbono orgânico contido na litosfera está armazenado em depósitos de combustíveis fósseis.

Numa escala geológica, existe um ciclo entre a crosta terrestre (litosfera), os oceanos (hidrosfera) e a atmosfera. O Dióxido de Carbono (CO₂) da atmosfera, combinado com a água, forma o ácido carbônico, o qual reage lentamente com o cálcio e com o magnésio da crosta terrestre, formando carbonatos. Através dos processos de erosão (chuva), estes carbonatos são arrastados para os oceanos, onde se acumulam no seu leito em camadas, ou são assimilados por organismos marinhos que eventualmente, depois de morrerem, também se depositam no fundo do mar. Estes sedimentos vão-se acumulando ao longo de milhares de anos, formando rochas sedimentares como as rochas calcárias.

*Os combustíveis fósseis são formados pela decomposição de matéria orgânica através de um processo que leva milhares e milhares de anos e, por este motivo, não são renováveis ao longo da escala de tempo humana, ainda que ao longo de uma escala de tempo geológica esses combustíveis continuem a ser formados pela natureza. O carvão mineral, os derivados do petróleo (tais como a gasolina, óleo diesel, óleo combustível, o GLP - ou gás de cozinha -, entre outros) e ainda, o gás natural, são os combustíveis fósseis mais utilizados e mais conhecidos.

• Ciclo do Nitrogênio

O processo pelo qual o nitrogênio ou azoto circula através das plantas e do solo pela ação de organismos vivos é conhecido como ciclo do nitrogênio ou ciclo do azoto. O ciclo do nitrogênio é um dos ciclos mais importantes nos ecossistemas terrestres. O nitrogênio é usado pelos seres vivos para a produção de moléculas complexas necessárias ao seu desenvolvimento tais como aminoácidos, proteínas e ácidos nucleicos.

O principal repositório de nitrogênio é a atmosfera (78% desta é composta por nitrogênio) onde se encontra sob a forma de gás (N₂). Outros repositórios consistem em matéria orgânica nos solos e oceanos. Apesar de extremamente abundante na atmosfera o nitrogênio é frequentemente o nutriente limitante do crescimento das plantas. Isto acontece porque as plantas apenas conseguem usar o nitrogênio sob três formas sólidas: íon de amônio (NH₄⁺),ion de nitrito (NO₂^-) e ion de nitrato (NO₃^-), cuja existência não é tão abundante. Estes compostos são obtidos através de vários processos tais como a fixação e nitrificação. A maioria das plantas obtém o nitrogênio necessário ao seu crescimento através do nitrato, uma vez que o íon de amônio lhes é tóxico em grandes concentrações. Os animais recebem o nitrogênio que necessitam através das plantas e de outra matéria orgânica, tal como outros animais (vivos ou mortos).

Processos de fixação do nitrogênio

Fixação

A fixação é o processo através do qual nitrogênio é capturado da atmosfera em estado gasoso (N₂) e convertido em formas úteis para outros processos químicos, tais como amoníaco (NH₃), nitrato (NO₃^-) e nitrito (NO₂^-). Esta conversão pode ocorrer através de vários processos, os quais são descritos nas secções seguintes.

Nitrificação

A oxidação do amoníaco, conhecida como nitrificação, é um processo que produz nitratos a partir do amoníaco (NH₃). Este processo é levado a cabo por bactérias (bactérias nitrificantes) em dois passos: numa primeira fase o amoníaco é convertido em nitritos (NO₂^-) e numa segunda fase (através de outro tipo de bactérias nitrificantes) os nitritos são convertidos em nitratos (NO₃^-) prontos a ser assimilados pelas plantas.

Desnitrificação

A desnitrificação é o processo pelo qual o azoto volta à atmosfera sob a forma de gás quase inerte (N₂). Este processo ocorre através de algumas espécies de bactérias (tais como Pseudomonas e Clostridium) em ambiente anaeróbico. Estas bactérias utilizam nitratos alternativamente ao oxigênio como forma de respiração e libertam azoto em estado gasoso (N₂).