Fundamentos de Ecologia: Ecossistemas, Ciclos e Populações

O que é um Ecossistema?

Um ecossistema pode ser definido como um sistema aberto composto pela parte físico-química (biótopo) e pela parte biótica (biocenose, ou conjunto de seres vivos presentes). Naturalmente, ambas as partes estabelecem relações tróficas. Estas relações representam o mecanismo de transferência de energia e outros materiais entre os corpos, sob a forma de alimentos.

Níveis Tróficos

Os organismos são classificados em diferentes níveis tróficos:

• Produtores: São o primeiro nível trófico, pois são organismos autotróficos (principalmente fotossintéticos), ou seja, produzem matéria orgânica a partir de matéria inorgânica e uma fonte de energia.
• Consumidores: Parte da matéria orgânica produzida pelos produtores serve de alimento aos consumidores, que a utilizam para produzir ATP (pela respiração celular), para se reproduzir e para crescer.
• Decompositores (Transformadores): Se a matéria orgânica que constitui as plantas não fosse devolvida à forma inorgânica nos solos e ecossistemas aquáticos, a matéria inorgânica empobreceria a ponto de pôr em perigo a vida das plantas e, consequentemente, do resto do ecossistema. Os transformadores são organismos heterotróficos saprófitas, que se alimentam de matéria orgânica morta. Este grupo inclui bactérias e fungos do solo e da água.
• Mineralizantes: São bactérias autotróficas. Não consomem matéria orgânica, mas sim inorgânicos ejetados pelos transformadores.

Cadeias Alimentares

Ao localizar os corpos em diferentes níveis tróficos, podem ser construídas cadeias alimentares, que são representações lineares das relações tróficas, ou seja, de como a matéria orgânica passa por organismos pertencentes a diferentes níveis tróficos. A cadeia alimentar começa com a energia fornecida pelos produtores, da qual se origina o fluxo de matéria orgânica que atravessa os diferentes tipos de consumidores.

Biomassa, Produção e Fluxo de Energia

Biomassa

Biomassa é a quantidade de massa seca por unidade de área ou volume de um corpo ou de um nível trófico determinado. Fornece uma medida da quantidade de energia nesse corpo ou nível trófico, uma vez que, removida a água, 99% do peso seco é material orgânico, e é nas ligações deste que a energia química é acumulada.

Produção

Produção é a relação entre o aumento da biomassa e a unidade de tempo. Como a biomassa de um organismo, população ou nível trófico pode variar ao longo do tempo (por exemplo, a quantidade de erva do campo varia com as estações), este parâmetro definido dá-nos uma ideia real do fluxo de energia através de um ecossistema.

• Produção Primária (PP): Energia fixada pelos autótrofos.
• Produção Secundária (PS): Corresponde a qualquer um dos outros níveis tróficos. Embora os produtores sejam os únicos organismos que produzem matéria orgânica a partir de inorgânica, os consumidores também têm produção, na medida em que assimilam matéria orgânica e crescem com ela.

Tipos de Produção

• Produção Bruta (PB): É a biomassa produzida por unidade de tempo por um nível trófico ou indivíduo, incluindo o que será consumido pela respiração.
• Produção Líquida (PL): É a produção que desconta as perdas pela respiração. A fórmula é: PL = PB - R (onde R é a respiração).

A Regra dos 10% (Regra de Lindeman)

A regra dos 10% ou de Lindeman define que a energia que passa de um elo (nível trófico) para outro é de aproximadamente 10% da energia acumulada no nível anterior. Parte da luz que atinge as plantas não é utilizada no processo fotossintético. A Produção Primária Bruta (PPB) é muito reduzida pela respiração das próprias plantas. A Produção Primária Líquida (PPL) é a energia disponível para os herbívoros.

Produtividade

As medições de produção feitas em duas espécies diferentes podem ser diferentes, mesmo na mesma área, tempo e biomassa, devido ao aumento da biomassa em taxas distintas. Definimos produtividade como a relação entre a produção líquida e a biomassa. A produtividade é a taxa na qual a biomassa é produzida, ou seja, a taxa na qual a biomassa é renovada, sendo também chamada de taxa de renovação.

Ciclos Biogeoquímicos Essenciais

O Ciclo do Carbono

O carbono está presente na atmosfera como CO₂; na litosfera, sob a forma de rochas carbonáticas; na hidrosfera, dissolvido como bicarbonato e CO₂; e na biosfera, integrado em moléculas orgânicas, bem como em esqueletos e estruturas de carbonato e bicarbonato formados em diferentes organismos.

O ciclo está em equilíbrio através dos processos de fotossíntese, respiração e decomposição. Detritos orgânicos, após decomposição e submetidos a condições metamórficas, formaram carvão e petróleo.

Sumidouros de Carbono

O dióxido de carbono dissolve-se facilmente na água, criando ácido carbónico, que pode reagir com rochas carbonáticas, originando bicarbonato de cálcio dissolvido. Os iões de cálcio e bicarbonato são usados por animais para formar os seus esqueletos de carbonato de cálcio. Uma vez mortos, os esqueletos estão sujeitos a processos de acumulação e cimentação, resultando em calcários. Este processo removeu enormes quantidades de carbono da atmosfera, explicando o declínio gradual do CO₂.

Intervenção Humana no Ciclo do Carbono

A intervenção humana neste ciclo é dupla: por um lado, o homem ameaça a biodiversidade (sendo um consumidor voraz); por outro, contribui para o agravamento do efeito estufa pela libertação de grandes quantidades de CO₂ na atmosfera através da queima de carvão, petróleo e gás natural.

O Ciclo do Nitrogénio

O nitrogénio (azoto) está na atmosfera como N₂ e, em menor extensão, em moléculas de NO_x (óxidos de nitrogénio) que podem ser libertadas por vulcões ou formadas durante tempestades. Na litosfera, é encontrado em rochas que libertam nitratos. Na hidrosfera, aparece dissolvido na forma de nitratos e nitritos. Na biosfera, é absorvido como nitrato, incorporado em moléculas orgânicas via fotossíntese e transferido para os consumidores.

O Papel das Bactérias

É crucial o papel das bactérias mineralizantes (Nitrosomonas e Nitrobacter) que transformam a amónia libertada no processo de decomposição em nitritos e, posteriormente, em nitratos, fechando o ciclo. Existem também algas e bactérias capazes de fixar nitrogénio atmosférico (N₂) e incorporá-lo em moléculas orgânicas. Estas incluem bactérias fixadoras, cianobactérias e bactérias que vivem em simbiose nas raízes de leguminosas (grão de bico, lentilhas, feijão, alfafa, etc.).

Existem ainda bactérias desnitrificantes, que convertem nitrato em N₂ no solo, devolvendo este gás à atmosfera. Os restos de organismos marinhos mortos descem para o fundo, misturados com sedimentos marinhos, sendo difíceis de recuperar lateralmente. Eventualmente, retornam para o continente sob a forma de rochas sedimentares. No entanto, essa perda lateral não é um problema, já que a abundância de nitrogénio na atmosfera é grande e existem microrganismos que podem corrigi-la.

Impacto Humano no Ciclo do Nitrogénio

A intervenção humana ocorre através do uso excessivo de fertilizantes pelos agricultores. O nitrato dissolvido atinge rios e lagos, servindo como nutriente para algas, que se desenvolvem rapidamente. Quando morrem, os decompositores crescem exponencialmente, consumindo o oxigénio e privando outros organismos. Esta poluição é chamada de eutrofização (excesso de alimento).

Além disso, a atividade industrial liberta NO_x que, ao dissolver-se nas gotas de chuva, forma ácido nítrico, contribuindo para a chuva ácida. Estes dois problemas serão discutidos posteriormente nas unidades da hidrosfera e atmosfera.

Dinâmica Populacional e Fatores Limitantes

População e Crescimento

Uma população é o conjunto de indivíduos de uma espécie que vive num ecossistema. O crescimento populacional é, em certa medida, determinado geneticamente (número de nascimentos e idade de morte).

Em condições ideais (abundância de alimentos, ausência de concorrentes, clima ideal), a população tem uma alta Taxa de Natalidade (TN) e uma Taxa de Mortalidade (TM) mínima, resultando no crescimento máximo possível (Potencial Biótico da espécie).

A diferença entre as duas taxas (r = TN - TM) é chamada de taxa de crescimento intrínseco (r).

Capacidade de Carga (K) e Resistência Ambiental

A capacidade de carga (K) não tem um valor fixo, mas varia dependendo da TN e TM da espécie e da capacidade do ecossistema. A equação logística de crescimento populacional inclui o termo de resistência ambiental. Quando a população é baixa, o crescimento é quase exponencial, mas à medida que a população se aproxima da capacidade de carga (K), o crescimento é impedido, resultando numa curva logística.

Fatores de Resistência Ambiental

Os fatores que controlam o crescimento populacional são variados:

Fatores Abióticos Limitantes

Basta que um único fator físico-químico seja escasso para se tornar um fator limitante do crescimento populacional.

• Luz: É um fator escasso nos oceanos, onde só penetra alguns metros de profundidade.
• Nutrientes Inorgânicos e Humidade: A humidade é crucial em sistemas de água doce e torna-se um fator limitante em áreas semiáridas e áridas, onde prosperam apenas plantas adaptadas a condições de seca.
• Temperatura: A fotossíntese, como qualquer reação bioquímica, é catalisada por enzimas, proteínas que aumentam a taxa de reações e sem as quais a vida não pode ser concebida.

Fatores Bióticos Limitantes

As populações interagem umas com as outras, regulando o seu crescimento:

• Interações Intraespecíficas: Relações entre indivíduos da mesma população (competição por alimento, território ou parceiro) que contribuem para a seleção natural e podem ser consideradas autorregulação.
• Interações Interespecíficas: O fator que mais controla o crescimento populacional é a disponibilidade de produção líquida, ou seja, organismos ou partes deles que servem como alimento.

A Importância da Biodiversidade

Biodiversidade significa a riqueza e variedade de espécies e a sua abundância relativa. Ao comparar duas comunidades em ecossistemas distintos, a mais diversificada será aquela que tiver um maior número de espécies e, caso tenham o mesmo número, aquela que tiver um maior número de indivíduos por espécie.

Funções da Biodiversidade

• Contribui para manter os níveis de gases na atmosfera e o equilíbrio dos ciclos biogeoquímicos.
• Influencia o fluxo de energia e a reciclagem da matéria (incluindo a formação do solo).
• Intervém na regulação do clima.
• É o fator fundamental para a estabilidade e equilíbrio do ecossistema.