02. Fluxos de energia e materiais através de ecossistemas

1. 02. Fluxos de energia e materiais através de ecossistemas Objetivos • Identificar as principais fontes de energia e mostrar seu fluxo através de uma floresta; • Enunciar as leis da energia e ilustra-lhas com exemplos; • Lembrar as unidades de energia: kilocaloria e Joule; • Mostrar os principais reagentes e produtos da fotossíntese, e do consumo orgânico; • Traçar os ciclos de fósforo e nitrogênio no ecossistema; • Acompanhar o fluxo de água no ecossistema florestal; • Diagramar um ecossistema florestal que inclua as fontes e os fluxos de energia, fósforo, nitrogênio, água, oxigênio e dióxido de carbono.

2. 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 usaremos o mesmo modelo, detalhando o armazenamento e os fluxos dos resíduos, nutrientes, dióxido de carbono e oxigênio.

3. Modelo mais detalhado da florestal – 2. Para sobreviver, um ecossistema necessita de um abastecimento contínuo de materiais essenciais. Estes podem vir de fora do sistema e/ou da reciclagem dos materiais. Um diagrama do sistema pode ser usado para mostrar as fontes e fluxos, dos materiais mais importantes e a energia. Um diagrama pode mostrar as fontes e fluxos de cada tipo de material por separado.

4. Fotossíntese. Pode-se resumir o processo da fotossíntese pelas plantas verdes da seguinte maneira: Água + Dióxido de carbono + Nutrientes = Material orgânico + Oxigênio .

5. Consumo O processo de respiração ou consumo orgânico pelos consumidores (que pode incluir o fogo da floresta e o consumo industrial de combustíveis) ocorre em direção contrária: Material orgânico + Oxigênio. = Água + Dióxido de carbono + Nutrientes

6. Modelo de Produção e Consumo na floresta

7. Figura 2.1. Processo P-R de uma floresta Os símbolos representam 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 micróbios (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.

8. Comentários sobre o modelo. 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. Os números nos caminhos estão em E6 joules por metro quadrado de floresta por ano.

9. Sistema em equilíbrio. 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.

10. Quantificação dos fluxos de energia. A energia é necessária em todos os processos. A quantidade de energia pode ser medida pelo calor liberado. Existem duas unidades 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). Umakilocaloria são mil calorias. Um corpo humano libera cerca de 2500 kilocalorias por dia, energia proporcionada pelos alimentos consumidos.

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

12. Fluxo das energias. 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 2.1. (as quantidades estão em Joules).

13. Notação adotada. O diagrama inclui alguns números bastante grandes, com muitos zeros, os quais podem representar-se como o produto da parte inicial do número multiplicado por 10 para cada zero. Por exemplo: 627000 se representa como 627 .103 ou 6,27 .105 Pode se usar o formato de 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 2.1 para indicar o fluxo de joules. Quando usamos a notação computacional usamos ponto em vez de virgula para separar inteiros de decimais.

14. 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 2.1 são as razões de energia por ano. Na Figura 2.3 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, o valor médio de fósforo no depósito de biomassa é de 10 gramas por metro quadrado por ano.

15. As leis da energia. O diagrama energético da floresta ilustra duas leis fundamentais: A primeira é a Lei da Conservação de Energia que 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. Quando os depósitos não mudam, 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.

16. As leis da energia. A segunda lei, é a Lei da Dispersão de Energia. Esta lei declara que a disponibilidade para que a energia realize algum trabalho se esgota devido à sua tendência à dispersão (ou degradação). 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. .

17. As leis da energia. Os sumidouros de calor existem devido a segunda lei. Observe os fluxos de energia no diagrama da floresta (Figura 2.1), veja que os joules de energia que fluem pelo sumidouro de calor não estão disponíveis para realizar mais trabalho no sistema porque a energia se encontra desagregada (demasiado dispersa). A energia que se dispersa é energia que foi utilizada, não é energia desperdiçada. Sua saída do sistema é parte inerente e necessária de todos os processos, biológicos ou qualquer outro tipo.

18. O CICLO DE ÁGUA NA FLORESTA. A planta absorve uma grande quantidade de água pelas raízes, a conduze através dos troncos para as folhas e finalmente a expulsa nos poros microscópicos nas folhas em forma de vapor. Esta saída de água se chama transpiração. A quantidade de água transpirada é muito maior que a pequena quantidade de água usada na fotossíntese. Parte da água da chuva muda de estado antes de alcançar o solo, é a evaporação. A soma da transpiração e da evaporação é chamada evapotranspiração.

19. O CICLO DE ÁGUA NA FLORESTA.

20. O CICLO DE ÁGUA NA FLORESTA. A Figura 2.2 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 2.2 é a parte da água da Figura 2.1.

21. 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.

22. O CICLO DO FÓSFORO. 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 2.3 se mostram os caminhos e depósitos restantes como o diagrama do ciclo do fósforo.

23. O CICLO DO FÓSFORO.

24. O CICLO DO FÓSFORO. 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 ítens que não contém fósforo. Na Figura 2.3 se mostram os caminhos e depósitos restantes como o diagrama do ciclo do fósforo.

25. O CICLO DO FÓSFORO. 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.

26. O CICLO DO FÓSFORO. 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 2.3. Parte flui para fora do sistema com as águas que saem pela superfície do solo ou percola para o lençol freático. O fósforo não tem fase gasosa em seu ciclo. .

27. 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.

28. O CICLO DO NITROGÊNIO. 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. A energia nos relâmpagos converte o nitrogênio em nitratos na chuva. Os processos industriais usam combustíveis para converter o gás nitrogênio para fertilizantes nitrogenados para fazendas.

29. O CICLO DO NITROGÊNIO. 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.

30. O CICLO DO NITROGÊNIO.

31. O CICLO DO NITROGÊNIO. A Figura 2.4 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.

32. OUTROS CICLOS. 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.

33. QUESTÕES Defina biomassa, fixador de nitrogênio, nutrientes, transpiração, kilocaloria, joule, estado de equilíbrio, micróbios Mencione três funções importantes do vento no ecossistema florestal. Mencione duas fontes de energia (além da energia solar) no ecossistema florestal. Mencione dois consumidores no ecossistema florestal.

34. QUESTÕES Diga a diferença entre evaporação e transpiração. Explique por que o fósforo é importante no ecossistema florestal. Use a Figura 2.1 para explicar a Lei de Dispersão de Energia. O que são as leis de energia? Escreva a equação de produção da fotossíntese e a de consumo orgânico.

35. QUESTÕES Explique 'fixação de nitrogênio' e 'desnitrificação'. Na Figura 2.1, que porcentagem de energia incidente é dispersada pelo sumidouro?

36. O CICLO DO NITROGÊNIO. 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 micróbios devolvem o nitrogênio à atmosfera como gás nitrogênio. Isto se chama desnitrificação.