Fluxo de Energia nos Ecossistemas
Todos os organismos requerem energia para se manterem vivos, para crescerem, para se reproduzirem e, no caso de muitas espécies, para se movimentarem.
Os produtores usam a energia luminosa para sintetizar moléculas orgânicas ricas em energia química a partir das quais produzem energia biológica (ATP).
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Os consumidores usam a energia química que está acumulada nas substâncias orgânicas que utilizam na alimentação.
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Daí resulta um fluxo de energia que, partindo do Sol, atinge todos os níveis tróficos dos ecossistemas. A energia luminosa do Sol é fixada pelo autótrofo, através do processo de fotossíntese ou quimiossíntese, e transmitida, sob a forma de energia química, aos demais seres vivos. Essa energia, no entanto, diminui à medida que passa pelos consumidores, pois parte dela é utilizada para a realização dos processos vitais do organismo e outra perde-se sob a forma de calor e pela respiração; sempre restará, portanto, apenas uma parcela menor de energia disponível para o nível seguinte. Como na transferência de energia entre os seres vivos não há reaproveitamento da energia liberada, diz-se que essa transferência é unidirecional e se dá como um fluxo de energia. A matéria, no entanto, pode ser reciclada; fala-se, então, em ciclo da matéria ou ciclo biogeoquímico.
Fotossíntese
A fotossíntese é o processo através do qual as plantas, seres autotróficos (seres que produzem seu próprio alimento) e alguns outros organismos transformam energia luminosa em energia química processando o dióxido de carbono (CO2), água (H2O) e minerais em compostos orgânicos e produzindo oxigênio gasoso (O2). A equação simplificada do processo é a formação de glicose:
6H2O + 6CO2 = 6O2 +C6H12O6
Este é um processo do anabolismo, em que a planta acumula energia a partir da luz para uso no seu metabolismo, formando adenosina tri-fosfato, o ATP, a moeda energética dos organismos vivos.
A fotossíntese inicia toda a cadeia alimentar. Sem esta, os animais e os outros seres heterotróficos seriam incapazes de sobreviver porque a base da sua alimentação estará sempre nas substâncias orgânicas proporcionadas pelas plantas verdes.
As etapas da fotossíntese
Com estas técnicas, descobriu-se, por exemplo, que a fotossíntese ocorre ao longo de duas etapas:
Equação: 4H2O + 2NADP + 3ADP + 3P -(luz)-> 3ATP + 2NADPH2 + O2 + 2H2O
Equação: CO2 + 2NADPH2 + 3ATP -(enzimas)-> 2NADP + 3ADP + 3P + H2O + (CH2O)6
Plantas jovens consomem mais dióxido de carbono e libertam mais oxigénio, pois o carbono é incorporado a sua estrutura física durante o crescimento.
A clorofila é responsável pela absorção de energia luminosa que será utilizada numa reação complexa onde o dióxido de carbono reage com a água, formando-se glicose (base dos hidratos de carbono), que é armazenada e utilizada pelas plantas, libertando-se, como resíduo desta operação, moléculas de oxigénio.
É importante realçar que a fase escura não ocorre apenas à noite ou na ausência de luz, o nome refere-se ao facto desta fase não necessitar da luz para funcionar. Ela acontece logo após a fase clara numa reação em cadeia até que o substrato se esgote.
Quimiossíntese
A quimiossíntese é a produção de alimentos através da oxidação de substâncias minerais.
A quimiossintese divide-se em duas etapas:
Respiração
Do ponto de vista da fisiologia, respiração é o processo pelo qual um organismo vivo troca oxigénio e dióxido de carbono com o seu meio ambiente.
Do ponto de vista da bioquímica, respiração celular é o processo de conversão das ligações químicas de moléculas ricas em energia que possa ser usada nos processos vitais.
O processo básico da respiração é a oxidação da glicose, que se pode expressar pela seguinte equação química:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energia
De acordo com o tipo de metabolismo, existem duas sequências possíveis para a oxidação do piruvato proveniente da glicólise:
Respiração aeróbica
A respiração aeróbia requer oxigênio. Cada piruvato que entra na mitocôndria e é oxidado a um composto com 2 carbonos (acetato) que depois é combinado com a Coenzima-A, com a produção de NADH e libertação de CO2. De seguida, inicia-se o ciclo de Krebs. Neste processo, o grupo acetil é combinado com compostos com 4 carbonos formando o citrato (6C). Por cada ciclo que ocorre liberta-se 2CO2, NADH e FADH2. No ciclo de Krebs obtém-se 2 ATPs. Numa última fase - cadeia transportadora de elétrons (ou fosforilação oxidativa) os elétrons removidos da glicose são transportados ao longo de uma cadeia transportadora, criando um gradiente protónico que permite a fosforilação do ADP. O aceptor final de elétrons é o O2, que, depois de se combinar com os elétrons e o hidrogênio, forma água. Nesta fase da respiração aeróbia a célula ganha 32 moléculas de ATP. Isso faz um total ganho de 36 ATP durante a respiração celular em que intervém o oxigênio.
Respiração anaeróbica
A respiração anaeróbica envolve um receptor de eléctrons diferente do oxigênio e existem vários tipos de bactérias capazes de usar uma grande variedade de compostos como receptores de eléctrons na respiração: compostos nitrogenados, tais como nitratos e nitritos, compostos de enxofre, tais como sulfatos, sulfitos, dióxido de enxofre e mesmo enxofre elementar, dióxido de carbono, compostos de ferro, de manganês, de cobalto e até de urânio.
No entanto, para todos estes, a respiração anaeróbica só ocorre em ambientes onde o oxigénio é escasso, como nos sedimentos marinhos e lacustres ou próximo de nascentes hidrotermais submarinas.
Uma das sequências alternativas à respiração aeróbica é a fermentação, um processo em que o piruvato é apenas parcialmente oxidado, não se segue o ciclo de Krebs e não há produção de ATP numa cadeia de transporte de eléctrons. No entanto, a fermentação é útil para a célula porque regenera o dinucleótido de nicotinamida e adenina (NAD), que é consumido durante a glicólise.
Os diferentes tipos da fermentação produzem vários compostos diferentes, como o etanol (o álcool das bebidas alcoólicas, produzido por vários tipos de leveduras e bactérias) ou o ácido láctico do iogurte.
Produtividade Primária - Seres Autotróficos
Cada dia a Terra é bombardeada por 1019 kcal de energia solar, o que equivale à energia de 100 milhões de bombas atômicas idênticas à que explodiu em Hiroxima.
A maior parte da radiação solar é absorvida, irradiada ou refletida pela atmosfera ou pela superfície terrestre.
Da luz visível que incide nas folhas das plantas ou nas algas apenas cerca de 1% é convertida em energia química na fotossíntese.
Globalmente produzem-se cerca de 170 bilhões de toneladas de matéria orgânica seca por ano (1 70 x 109 t/ano) em que:
2/3 são produzidos nos continentes
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1/3 é produzido nos oceanos.
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É possível concluir que nem todas as substâncias produzidas são incorporadas na biomassa dos produtores.
Parte das moléculas orgânicas resultantes da fotossíntese são gastas pelos produtores na respiração celular.
Há então que distinguir entre:
produtividade primária bruta (PPB) representada pelas substâncias orgânicas produzidas na fotossíntese.
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produtividade primária líquida (PPL) representada pelas substâncias orgânicas incorporadas nos órgãos dos produtores. É representada pelo aumento da sua biomassa.
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A relação entre as duas está expressa na seguinte equação:
PPL = PPB - R (Respiração)
Em termos de energia, diremos que:
A energia acumulada pelos produtores ou autotróficos nas substâncias produzidas na fotossíntese é maior do que a energia incorporada na sua biomassa. Isto porque parte dessa energia é gasta irremediavelmente nas diferentes atividades vitais (crescimento, transporte, etc.). O mecanismo da respiração permite a transformação da energia química acumulada nas substâncias orgânicas em energia utilizável (ATP).
Produtividade Secundária
As substâncias orgânicas que os heterotróficos usam na sua alimentação são, em parte, utilizadas na produção das suas próprias substâncias e incorporadas na sua biomassa.
A quantidade de substâncias orgânicas alimentares incorporadas pelos heterotróficos, durante um determinado período de tempo, constitui a produção secundária.
Mas as substâncias orgânicas que os animais utilizam na alimentação não são apenas usadas na produção secundária (em média, só 1 décimo do que os heterotróficos consomem é incorporado na sua biomassa). Grande parte é gasta nas atividades vitais; outra parte não é digerida, sendo eliminada pelas fezes.
Pode considerar-se então que a matéria orgânica e a energia que ela contém diminui de nível para nível trófico.
O número de níveis tróficos é por isso limitado.
Geralmente, ao chegar ao 4º e, excepcionalmente, ao 5º nível trófico das cadeias alimentares, da quantidade de matéria orgânica ou energia produzida pelos autotróficos existe uma porção tão pequena que não é suficiente para alimentar outro nível trófico superior. Por isso, a maior parte das cadeias alimentares possuem, no máximo, 4 ou 5 níveis tróficos.
Quanto mais baixo for o nível trófico de que qualquer ser vivo se alimente, maior é a quantidade de matéria e energia que tem disponível.
Pirâmide de Energia e Produtividade
A energia solar captada pelos produtores vai-se dissipando ao longo das cadeias alimentares sob a forma de calor, uma energia que não é utilizável pelos seres vivos. À medida que esta energia é dissipada pelo ecossistema, ocorre uma permanente compensação com a utilização de energia solar fixada pelos produtores, passando depois através de todos os outros elementos vivos do ecossistema.
O nível energético mais elevado, nos ecossistemas terrestres, é constituído pelas plantas clorofiladas (produtores). O resto do ecossistema fica inteiramente dependente da energia captada por eles, depois de transferido e armazenada em compostos orgânicos. O nível imediato é constituído pelos herbívoros. Um herbívoro obterá, portanto, menos energia das plantas clorofiladas do que estas recebem do Sol. O nível seguinte corresponde ao dos carnívoros. Apenas parte da energia contida nos herbívoros transitará para os carnívoros e assim sucessivamente.
Foi adotado um processo de representação gráfica desta transferência de energia nos ecossistemas, denominado pirâmide de energia (fig.18), em que a área representativa de cada nível trófico é proporcional à quantidade de energia disponível. Assim, o retângulo que representa a quantidade de energia que transita dos produtores para os consumidores de primeira ordem é maior do que aquele que representa a energia que transita destes para os consumidores de segunda ordem e assim sucessivamente.
As cadeias alimentares estão geralmente limitadas a 4 ou 5 níveis tróficos, porque há perdas de energia muito significativas nas transferências entre os diferentes níveis. Conseqüentemente, a quantidade de energia que chega aos níveis mais elevados já não é suficiente para suportar ainda outro nível trófico.
Figura 18. Pirâmide de Energia
Calculou-se que uma superfície de 40000 m2 pode produzir, em condições adequadas, arroz em quantidade suficiente para alimentar 24 pessoas durante um ano. Se esse arroz, em vez de servir de alimento ao Homem, fosse utilizado para a criação de gado, a carne produzida alimentaria apenas uma pessoa nesse mesmo período.
Quanto mais curta for uma cadeia alimentar, maior será, portanto, o aproveitamento da energia. Em países com falta de alimentos, o Homem deve optar por obtê-los através de cadeias curtas.
Para cálculo da eficiência nas transferências de energia de um nível para o outro, há necessidade de avaliar a quantidade de matéria orgânica ou de energia existente em cada nível trófico, ou seja, é necessário conhecer a produtividade ao longo de todo o ecossistema.
Os estuários são os ecossistemas de maior produtividade, pois é nesses locais que grande parte dos peixes desovam e se reproduzem.
As florestas são também locais onde existem condições que permitem a subsistência de um grande número de animais.
Em resumo, a produtividade secundária depende de vários fatores:
Nível trófico - Geralmente será tanto menor, quanto mais elevado for o nível tráfico considerado.
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Temperatura interna dos indivíduos - A produtividade é maior nos animais de temperatura variável do que nos de temperatura constante. Nestes animais, grande parte da matéria orgânica que ingerem é gasta para manter a temperatura a nível mais ou menos constante.
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Tipo de ecossistema - Nos ecossistemas em que os fatores abióticos são favoráveis, o que permite o desenvolvimento de uma flora e fauna abundantes e diversificados, existe uma maior produtividade. Nos ecossistemas em que os fatores abióticos são desfavoráveis como, por exemplo, a tundra ou o deserto, a produtividade é menor.
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