3.Os Ciclos e fluxos de Ecosistemas

3 .OS FLUXOS DE ENERGIA E MATERIAIS ATRAVÉS DE ECOSSISTEMAS

OBJETIVOS:

1. Listar as principais fontes de energia e mostrar seu fluxo através de uma floresta;
2. Enunciar duas leis da energia e explicá-las mediante exemplos;
3. Definir as unidades de energia: kilocaloria e joule;
4. Identificar e diagramar os principais elementos e produtos da fotossíntese, e o consumo orgânico;
5. Traçar os ciclos de fósforo e nitrogênio no ecossistema florestal;
6. Acompanhar o fluxo de água no ecossistema florestal;
7. Diagramar um ecossistema florestal que inclua as fontes e os fluxos de energia, fósforo, nitrogênio, água, oxigênio e dióxido de carbono.


3.1 UM MODELO MAIS DETALHADO DO SISTEMA FLORESTAL.

No Capítulo 1 examinamos um modelo muito simples de ecossistema florestal e fizemos uma introdução dos símbolos para diagramar as partes e os processos. Neste capítulo continuaremos usando o mesmo modelo, mostrando o armazenamento e os fluxos dos resíduos, nutrientes, dióxido de carbono e oxigênio.  

Para sobreviver, um ecossistema necessita de um abastecimento contínuo de materiais essenciais. Estes podem vir de fora do sistema, da reciclagem dos materiais ou de ambos. Um diagrama de sistema pode ser usado para mostrar as fontes e fluxos dos materiais mais importantes e da energia. Um diagrama pode também ser desenhado para mostrar as fontes e fluxos de cada tipo de material por separado.

Geralmente, pode-se resumir o processo de produção da fotossíntese pelas plantas verdes (por exemplo: folhas das árvores) com ajuda de energia solar, da seguinte maneira :

	(água) + (dióxido de carbono) + (nutrientes) = (material orgânico) + (oxigênio)

O processo de consumo orgânico pelos consumidores (incluindo fogo e consumo industrial de combustíveis) ocorre em direção contrária:

	(material orgânico) + (oxigênio) = (água) + (dióxido de carbono) + (nutrientes)

Os processos de produção e consumo em uma floresta se mostram, com ajuda de símbolos, na Figura 3.1.

As partes e processos mostrados no diagrama do bosque (Figura 3.1) integram um ecossistema trabalhando. As diversas plantas verdes utilizam a energia do sol, água e nutrientes do solo e dióxido de carbono do ar para produzir matéria orgânica. Parte da matéria orgânica é alimento de insetos quando ainda está verde, parte é consumida por microrganismos (organismos microscópicos) logo que cai ao solo, parte se queima nos incêndios. Os consumidores usam oxigênio do ar e liberam nutrientes, dióxido de carbono e um pouco de água como subprodutos.

O vento é uma fonte externa que renova a atmosfera, de oxigênio e dióxido de carbono. Quando o vento sopra através da floresta, leva consigo qualquer excesso de dióxido de carbono acumulado pelos consumidores.


Figura 3.1 Diagrama de produção fotossintética e do consumo orgânico numa floresta, mostrando fontes, fluxos de energia, sumidouro de calor, reciclagem e o balanço de entradas e saídas.

Os números nos caminhos estão em E6 joules por metro quadrado de floresta por ano.

Depois de alguns anos, o ecossistema florestal pode entrar em equilíbrio. A água flui para dentro e para fora do ecossistema; os nutrientes se movem desde o solo até aos organismos vivos e voltam a ele novamente. Organismos crescem, morrem, se decompõem e seus nutrientes retornam ao sistema. Se os depósitos permanecem constantes, com os fluxos de entrada iguais aos de saída, se diz que o ecossistema está em estado de equilíbrio.


3.2 QUANTIFICAÇÃO DOS FLUXOS DE ENERGIA.

A energia é necessária para todos os processos. A quantidade de energia pode ser medida pelo calor liberado. Existem duas unidades comumente usadas para medir energia. A caloria é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um grama de água em um grau na escala Celsius (grau centígrado). Uma kilocaloria representa mil calorias. Um corpo humano libera cerca de 2500 kilocalorias por dia, energia proporcionada pelos alimentos consumidos.

Por acordos internacionais, uma unidade de energia diferente se está utilizando com maior freqüência, o Joule (J). Uma kilocaloria é equivalente a  4186,8 joules.

A energia é necessária para todos os processos em um ecossistema. A floresta usa a energia do sol (energia solar) e pequenas quantidades de outras fontes. As fontes energéticas, depósitos e fluxos em um ecossistema florestal estão marcadas no diagrama da floresta na Figura 3.1. (as quantidades estão em joules).

O diagrama inclui alguns números elevados. Os números elevados com muitos zeros podem se representar como o produto da parte inicial do número multiplicado por 10 para cada zero.

Por exemplo: 627 000 pode ser representado como:

	6,27 .105

ou, pode se usar o seguinte formato nos programas de computação:

	6.27 E5

onde E5 (5 exponencial) significa multiplicar 10 * 5. Isto é o mesmo que adicionar 5 zeros. Esta última notação é usada na Figura 3.1 para indicar o fluxo de joules.


3.3 COLOCANDO VALORES NOS CAMINHOS DO DIAGRAMA.

Uma boa maneira de ver como os materiais, energia ou dinheiro fluem dentro de um sistema, é escrever seus valores nos caminhos do diagrama. Por exemplo, os números nas linhas de fluxo na Figura 3.1 são as proporções de fluxo de energia por ano. Na Figura 3.3 os números são gramas de fósforo fluindo pelo sistema, por metro quadrado por ano. Às vezes é útil mostrar as quantidades médias dos depósitos. Por exemplo, na Figura 3.3, o depósito médio de fósforo na biomassa é de 10 gramas por metro quadrado por ano.


3.4 AS LEIS DA ENERGIA.

O diagrama energético da floresta ilustra duas leis fundamentais:

A primeira é a Lei da Conservação de Energia, a qual  declara que a energia não pode ser criada nem destruída. Em nosso caso, significa que a energia que flui para dentro de um sistema é igual à energia adicionada ao depósito mais aquela que flui para fora do sistema. Na Figura 3.1 os depósitos não estão mudando, a soma das entradas é igual à soma das saídas de energia; os joules de energia que entram no sistema das fontes externas, são iguais aos joules de energia que se dispersam pelo sumidouro.

A segunda lei, é a Lei de Dispersão de Energia. Esta lei declara que a disponibilidade para que a energia realize algum trabalho se esgota devido à sua tendência à dispersão (se degrada). A energia também se dispersa dos depósitos de energia. Quando apresentamos o símbolo do sumidouro de calor no último capítulo, dissemos que os sumidouros de calor eram necessários para todos os processos e depósitos. Os sumidouros de calor são necessários devido à segunda lei. Observe os caminhos da dispersão de energia no diagrama da floresta na Figura 3.1, os joules de energia que fluem pelo sumidouro de calor não estão disponíveis para realizar mais trabalho porque a energia se encontra demasiadamente dispersa. A energia que se dispersa é energia utilizada, não é energia desperdiçada; sua saída do sistema é parte inerente e necessária de todos os processos, biológicos ou qualquer outro.


3.5 O CICLO DE ÁGUA NA FLORESTA..

Os ecossistemas necessitam de água. As árvores da floresta absorvem grandes quantidades de água pelas raízes, e a conduz através dos troncos, para as folhas, e a expulsa mediante poros microscópicos nas folhas, em forma de vapor. Esta saída de água se chama transpiração. A quantidade de água que flui através das árvores pelo processo de transpiração é muito maior que a pequena quantidade de água usada na fotossíntese. Parte da água da chuva se evapora antes de alcançar o solo. A soma da transpiração e da evaporação é chamada evapotranspiração. A Figura 3.2 mostra os fluxos e depósitos de água em um metro quadrado de um ecossistema florestal. Pouca água é armazenada (em depósito) comparada com a quantidade que flui através de todos sistemas (chuva, lixiviação e transpiração). A Figura 3.2 é a parte da água da Figura 3.1.


Figura 3.2. Depósitos e fluxos de água no ecossistema florestal da Figura 3.1.

Reprinted with permission from Environment and Society in Florida - (Cat#SL0802)
Copyright CRC Press, Boca Raton, Florida - 1997.

3.6 O CICLO DO FÓSFORO.

Substâncias químicas (nutrientes) são também necessárias para os depósitos e processos de um ecossistema. Um dos nutrientes mais importantes para a construção de organismos é o fósforo. Geralmente o fósforo é mais escasso que outros nutrientes, tais como o nitrogênio e o potássio. Se o sistema florestal não reciclasse o fósforo, este poderia ficar tão escasso, que limitaria o crescimento das plantas da floresta.

Fluxos e depósitos que contém nutrientes ricos em fósforo estão incluídos na Figura 2.1. A entrada e a reciclagem do fósforo pode mostrar-se por separado retirando do diagrama os itens que não contém fósforo. Na Figura 3.3 se mostram os caminhos e depósitos restantes como o diagrama do ciclo do fósforo.


Figura 3.3. Ciclo do fósforo para o ecossistema desenhado na Figura 3.1.

Reprinted with permission from Environment and Society in Florida - (Cat#SL0802)
Copyright CRC Press, Boca Raton, Florida - 1997.

O diagrama mostra a chuva e as rochas como fontes externas de fósforo. O fósforo está presente como fosfatos inorgânicos que as plantas usam para produzir compostos orgânicos necessários para a vida. O fósforo nestes compostos, participa da biomassa que regressa a formas inorgânicas mediante os consumidores, quando eles usam a biomassa como alimento. O fósforo inorgânico liberado se torna parte do depósito de nutrientes no solo. Assim, o fósforo se move em um ciclo como mostra a Figura 3.3. Parte flui para fora do sistema com as águas que saem pela superfície do solo ou percolam para o lençol freático. O fósforo não tem fase gasosa em seu ciclo.


3.7 O CICLO DO NITROGÊNIO.

O elemento químico nitrogênio é essencial para todas as formas de vida e seus produtos. É um dos elementos necessários para fazer proteínas (músculos em carnes, nervos, cabelos, tendões, pele, penas, seda, leite, queijo, sementes e nozes, enzimas), e estruturas genéticas.

78% do ar é composto por gás nitrogênio, mas a maioria dos organismos não podem utilizá-lo nesta forma. O nitrogênio em seu estado gasoso pode converter-se em formas utilizáveis (nitratos, nitritos, e amônia) por processos especiais que necessitam de energia. Por exemplo, os processos industriais usam combustíveis para converter o gás nitrogênio para fertilizantes nitrogenados para fazendas. A energia nos relâmpagos converte o nitrogênio em nitratos na chuva. As plantas, algas e bactérias que podem fazer isto são chamadas fixadoras de nitrogênio. Algumas plantas e árvores possuem nódulos que fixam o nitrogênio usando açúcar que é transportado desde as folhas como fonte de energia. As algas azul-esverdeadas podem fixar o nitrogênio usando a luz solar. Algumas bactérias podem fixar o nitrogênio usando matéria orgânica como fonte de energia.

A Figura 3.4 mostra o ciclo do nitrogênio nos ecossistemas. Iniciando pelos organismos fixadores de nitrogênio, o nitrogênio passa às plantas, e logo para os animais, seguindo a cadeia alimentar. Nas plantas e nos animais, o nitrogênio se encontra em forma de compostos orgânicos como as proteínas. O nitrogênio retorna para o solo e a água em forma de dejetos animais e pela decomposição de plantas e animais. Várias substâncias de dejetos que contém nitrogênio, como a uréia na urina, são convertidas por bactéria em amônia, nitritos e nitratos; estes são usados novamente pelas plantas para fechar o ciclo. Alguns microorganismos devolvem o nitrogênio à atmosfera como gás nitrogênio. Isto se chama desnitrificação.


Figura 3.4 Ciclo do nitrogênio em um ecossistema. 'M' representa os microorganismos.

Diagramas parecidos podem ser desenhados para cada substância química utilizada nos processos de produção e consumo, tais como o carbono e o oxigênio.

Em resumo, os diagramas simbólicos são uma forma de representar os fluxos dentro dos ecossistemas incluindo energia, água, e fósforo. O diagrama, com todos seus componentes, mostra como a energia e os materiais interatuam para formar um único sistema.


3.8 PERGUNTAS E ATIVIDADES 
  1. Defina o seguinte
    1. biomassa
    2. fixador de nitrogênio
    3. nutrientes
    4. transpiração
    5. kilocaloria
    6. joule
    7. estado de equilíbrio
    8. micróbios
  2. Mencione três funções importantes do vento no ecossistema florestal.
  3. Mencione duas fontes de energia (além da energia solar) no ecossistema florestal.
  4. Mencione dois consumidores no ecossistema florestal.
  5. Diga a diferença entre evaporação e transpiração.
  6. Explique por que o fósforo é importante no ecossistema florestal.
  7. Use a Figura 3.1 para explicar a Lei de Dispersão de Energia.
  8. O que são as leis de energia?
  9. Escreva a equação de produção da fotossíntese e a de consumo orgânico.
  10. Explique 'fixação de nitrogênio' e 'desnitrificação'.
  11. Na Figura 3.1, que porcentagem de energia incidente é dispersada pelo sumidouro?















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