A Luz nos Ecossistemas

1. A Luz nos Ecossistemas Rafael Nessim Ecologia Energética

2. Introdução • Radiação solar  100 nm a 5000 nm. • Ultravioleta  100 nm a 400 nm. • Infravermelho  740 nm a 4000 nm. • Luz visível  400 nm (violeta) a 740 nm (vermelho). • Raios X e raios gama  < 100 nm. • Radiação térmica  4000 nm a 100000 nm (provém de qualquer objeto ou superfície cuja temperatura esteja acima do zero absoluto). • Os comprimentos de onda que compõem a luz visível são também chamados de radiação fotossinteticamente ativa.

3. Luz atmosférica  constante solar = 2 cal/cm²/min (2 langley/minuto). • Camada de ozônio  absorve quase todos os comprimentos de onda, especialmente a radiação ultravioleta. • As moléculas dos gases atmosféricos espalham os comprimentos de ondas curtas, causando a cor azul do céu. • Vapor de água reflete todas as cores  nuvens brancas. • Poeira reflete principalmente o amarelo e o vermelho.

4. A energia da radiação solar que chega à superfície da Terra em um dia claro é composta por 10% de ultravioleta, 45% de luz visível e 45% de infravermelho.

5. Interceptação pelas Plantas • As folhas das plantas refletem cerca de 6 a 12% da luz fotossinteticamente ativa, 70% da radiação infravermelha e apenas 3% da radiação UV. • Rejeição da energia infravermelha  evitar temperaturas letais. • O grau de reflexão depende da superfície da folha. • As folhas absorvem preferencialmente o azul, o violeta e vermelho, refletindo o verde. • As folhas transmitem até 40% da luz incidente (normalmente 10 a 20%).

6. A luz transmitida é na sua maioria vermelho de longo comprimento de onda e o verde (muito energético e fotossinteticamente inativo). • A quantidade de luz que alcança o chão de uma floresta (ou mesmo de um campo) é dependente da quantidade e posição das folhas acima. • Índice de área foliar (IAF)  m² área foliar/área do chão. • Quanto maior este índice, menor a quantidade da luz que atinge a superfície do solo. • Tal índice aumenta do dossel para a superfície.

7. A posição da folhas pode atenuar o sombreamento proveniente do aumento da área foliar. • Plantas com folhas horizontais causam um intenso (auto) sombreamento. • Plantas cuja posição das folhas forma um ângulo muito pronunciado com o solo evitam o auto-sombreamento e permitem que uma maior quantidade e luz alcance o solo. • Luz solar pode penetrar diretamente até ao chão de uma floresta através de clareiras e “falhas “ no dossel  atenuação do intenso sombreamento.

8. Cerca de 70 a 80% da luz que alcança o chão de uma floresta é proveniente deste fachos de luz. • Floresta Temperada Decídua (IAF = 3-5)  1 a 5% da luz que alcança o dossel chega até o solo (verão). • Floresta de Pinheiros (IAF = 2-4)  10 a 15%. • Florestas Tropicais (IAF = 6-10)  0,25 a 2%. • Existe uma grande variação no índice de área foliar ao longo do ano, especialmente em florestas temperadas decíduas (algumas florestas tropicais são semi-decíduas).

9. Floresta Temperada Decídua • Início da Primavera  início da expansão foliar; cerca de 20 a 50 % da luz alcança o solo. Muitas plantas do solo aproveitam a alta quantidade de luz, florescem e completam o ciclo reprodutivo antes do fechamento do dossel. • Verão  maior intensidade luminosa (dias longos) no dossel; pouca luz alcança o solo devido ao alto IAF. • Outono  com o início da queda das folhas, outro grupo de plantas floresce. • Inverno  pouca luz alcança o solo; baixo IAF e dias mais curtos (quantidade de luz no dossel é apenas 1/3 da luz do verão).

10. Luz X Sombra • Ponto de compensação luminosa  nível de luminosidade no qual a taxa de fotossíntese = Taxa de respiração. • Ponto de saturação luminosa  nível de luminosidade no qual a taxa de fotossíntese é máxima (a partir deste ponto, um aumento na quantidade de luz não implica em aumento da taxa fotossintética). • Foto-inibição  nível de luminosidade no qual ocorre diminuição (ou mesmo inibição) da taxa fotossintética. • A relação entre a quantidade de luz e a taxa fotossintética varia entre as espécies de plantas.

11. Plantas adaptadas a ambientes sombreados apresentam um baixo ponto de compensação luminosa, um baixo ponto de saturação luminosa, além de uma taxa fotossintética máxima menor do que plantas adaptadas a ambientes muito iluminados.

12. Ecofisiologia de Plantas Tolerantes ao Sombreamento • Enzima Rubisco  enzima mais abundante da Terra; catalisa a transformação do gás carbônico em açúcar. • Produção de rubisco  requer grande quantidade de nutrientes. • Em condições de baixa luminosidade, a planta produz menos rubisco  aumento da produção de clorofila ( captação da luz) e diminuição da taxa respiratória. • Baixa taxa respiratória  menor ponto de compensação luminoso. • Redução da rubisco  limita a taxa máxima fotossintética (produção de açúcares).

13. Excesso de Luz • O excesso de luz pode inibir a fotossíntese através de dois processos: Foto-inibição (reversível) e Foto-oxidação (irreversível). • A foto-inibição envolve danos aos centros de reação, quando eles são sobre-excitados. O que acontece é a perda de proteínas envolvidas na transferência de elétrons. Estas proteínas pode ser recuperadas posteriormente. • Foto-oxidação é um processo irreversível e envolve diretamente os pigmentos receptores de luz. Quando estes absorvem muita luz, ficam muito tempo excitados e interagem com o CO2 produzindo radicais livres, como superóxido (O2-), o qual pode destruir os pigmentos.

14. Há algumas defesas bioquímicas, como a enzima superóxido dismutase (SOD) que destrói os radicais livres, mas essas defesas são insuficientes se a exposição à alta luminosidade é prolongada. • Alterações fisiológicas as quais reduzem os riscos de danos em alta luminosidade. Os cloroplastos podem mover-se de um lado ao outro da célula (ciclose); a orientação da folha pode alterar ao ponto delas ficarem alinhadas paralelamente à incidência dos raios solares e, assim, absorver menos luz.

15. Plantas que crescem em ambientes com muita luz têm frequentemente características estruturais e químicas que reduzem a quantidade de luz que alcança o cloroplasto. As folhas podem ter superfície brilhante ou reflectivas ou apresentarem cutícula mais espessa. As células da epiderme podem conter antocianina, que absorve comprimentos de onda curtos

16. Luz na Água • A água absorve a luz muito rapidamente  apenas 40% da luz incidente da superfície de um lago de águas claras alcança 1m de profundidade. • Os primeiros comprimentos de onda a serem absorvidos são o vermelho e o infravermelho, seguidos pelo amarelo, verde e violeta. Apenas o azul alcança as maiores profundidades. • Apenas 10% da luz azul alcança mais que 100m. • A água pode ser considerada um ambiente de baixa luminosidade.

17. Organismos aquáticos situados na parte superior da coluna d’água produzem limitam a quantidade de luz para os organismos situados abaixo. • As algas e plantas aquáticas tendem a ocupar profundidades nas quais a intensidade luminosa seja a mais adequada para as especificidades fisiológicas de cada espécie. • Normalmente ocorre foto-inibição na superfície da água. • Muitas espécies do fitoplâncton são móveis e podem se locomover através da coluna d’água à procura da taxa luminosa mais adequada.

18. Algas verdes, vermelhas e marrons exibem uma profundidade preferencial que pode ser explicada pelas diferenças entre seus pigmentos fotossintetizantes. • Algas vermelhas são mais comuns em maiores profundidades, pois suas células contém pigmentos que absorvem os comprimentos de onda azul e verde. • Algas verdes apresentam clorofila a e b, habitando preferencialmente águas rasas e superficiais. • Algas marrons possuem clorofila a, clorofila c e fucoxantina, habitando profundidades intermediárias. • Estudos recentes mostram que a distribuição dessas algas é muito variável e dependente da intensidade luminosa e não da composição espectral da luz.

19. Radiação Ultra-Violeta • A radiação ultravioleta pode causar danos moleculares a lipídios, proteínas e ácidos nucléicos, além de exercer efeitos indiretos através de stress oxidativo. • Defesas dos organismos contra raios UV: biossíntese de substâncias que absorvem a radiação, mecanismos de reparo do DNA, enzimas que reduzem os efeitos do stress oxidativo, defesas comportamentais.

20. Efeitos da Radiação UV em Organismos Aquáticos • Danos potenciais  dependem da incidência da radiação solar, da profundidade da coluna d’água e da transparência do ecossistema em questão. • Sistemas eutróficos de água doce e áreas costeiras dos oceanos  menor transparência. • Carbono orgânico particulado  quebrado em pequenas subunidades pelos raios UV  facilidade de absorção pelo bacterioplâncton  aumento da transparência da coluna d’água  maior penetração da radiação UV.

21. Bacterioplâncton e Picoplâncton • Muito pequenos para acumular substâncias que possam absorver raios UV. • Solução: alta taxa de divisão celular, rápido crescimento populacional sistema de reparo de DNA extremamente eficiente. • Águas oceânicas claras  morte do bacterioplâncton nas camadas superiores da coluna d’água. • Áreas costeiras  alta turbidez protege o bacterioplâncton dos efeitos nocivos dos raios UV.

22. Cianobactérias • Raios UV afetam a motilitade, foto-orientação, processos bioquímicos e fisiológicos das cianobactérias. • Synechococcus resiste à radiação UV alternando a forma das proteínas do aparato fotossintético. • Defesas comuns  produção de compostos protetores (aminoácidos similares à micosporina - MAAs), migração, produção de carotenóides e superóxido dismutase, mecanismos de reparo, produção de enzimas anti-oxidantes.

23. Fitoplâncton • Raios UV destroem pigmentos fotossintetizantes, provocam danos ao DNA e afetam o metabolismo do nitrogênio. • Produção de pigmentos protetores (MAAs), síntese de antioxidantes, reparo do DNA danificado, produção de xantofilas. • Fitoplâncton de água doce é mais susceptível à radiação ultra-violeta do que o fitoplâncton marinho.

24. Macrófitas • A susceptibilidade das algas marinhas aos raios UV é muito variável, o que resulta em uma distribuição específica de espécies na coluna d’água. • Principal defesa: produção de MAAs (algas vermelhas > algas marrons > algas verdes). • Algas do sublitoral que não estão expostas à radiação UV não produzem qualquer tipo de composto. • Algas doe supralitoral (alta exposição à luz solar) produzem grandes quantidades e MAAs. • Um terceiro grupo de algas tem a produção de MAAs induzida pela luz solar. • Espécies de algas verdes  reprodução vegetativa.

25. Zooplâncton • Produção de melanina, carotenóides, MAAs. • Migração para locais mais profundos na coluna d’água  espécies com menos pigmentação alcançam maiores profundidades. • Lagos situados em altas montanhas  radiação UV é um dos principais fatores de stress para o zooplâncton.