Biology · AP Biology
Ecologia
energia e populações nas comunidades
A ecologia estuda como os organismos interagem entre si e com o ambiente, e como a energia e a matéria se movem entre eles.
A pirâmide da figura é um ecossistema modelo. Os produtores captam 20,000 kcal de energia por metro quadrado a cada ano. Apenas cerca de um décimo disso chega aos herbívoros que se alimentam deles, um décimo da energia deles chega aos carnívoros, e assim por diante. O restante deixa cada nível como calor (em vermelho).
O capítulo sobe pelos níveis de organização. Um indivíduo responde ao ambiente e equilibra um orçamento de energia. Uma população, os indivíduos de uma espécie em uma área, cresce até os recursos se esgotarem. Uma comunidade, todas as populações de uma área, é moldada pela forma como as espécies se alimentam, competem e ajudam umas às outras. Um ecossistema acrescenta as partes não vivas: água, solo, ar, luz.
As últimas páginas perguntam o que mantém um ecossistema estável e o que acontece quando ele é perturbado.
comportamento e fisiologia que respondem a um sinal
Os organismos detectam mudanças no ambiente e respondem, por meio do comportamento ou da fisiologia, de maneiras que tendem a mantê-los vivos e se reproduzindo.
As plantas também respondem. No fototropismo, um caule cresce em direção à luz; no fotoperiodismo, uma planta floresce quando a noite atinge certa duração. Entre os animais, uma taxia é um movimento orientado em direção a um estímulo ou para longe dele, como uma mariposa voando até uma luz. Uma cinese muda apenas a velocidade ou a taxa de giro de um movimento sem direção. Ser ativo à noite (noturno) ou de dia (diurno) e a resposta de luta ou fuga também são respostas.
A figura. Tatuzinhos-de-jardim em uma câmara de escolha andam rápido e quase em linha reta no papel seco, e devagar, virando com frequência, no papel úmido. Nenhum deles mira a umidade. Cada um simplesmente se demora ali, cerca de 70% do tempo neste modelo, e assim a metade úmida se enche. Isso é uma cinese.
Testando o resultado. Após 10 minutos, uma turma conta 15 de 20 tatuzinhos no lado úmido. A hipótese nula, sem preferência, prevê 10 e 10:
Com duas categorias, há 1 grau de liberdade, e o valor crítico em p = 0.05 é 3.84. Como 5.0 > 3.84, rejeita-se a hipótese nula: os tatuzinhos não estão distribuídos ao acaso.
Comunicação. Os animais trocam informações por sinais visuais, sonoros, táteis, elétricos e químicos (um feromônio é um sinal químico). A dança do requebrado de uma abelha indica às companheiras de ninho onde há alimento; um grito de alarme avisa de um predador. Os sinais mudam o comportamento de quem os recebe.
Comportamento e aptidão. A seleção natural favorece comportamentos inatos e aprendidos que aumentam a sobrevivência e o sucesso reprodutivo. O comportamento cooperativo, como suricatos se revezando como sentinelas, ajuda a população a sobreviver.
endotérmicos, ectotérmicos e tamanho corporal
Todo organismo precisa de energia para manter suas células organizadas, crescer e se reproduzir. Com o tempo, a energia que ele absorve deve cobrir a energia que gasta.
Os endotérmicos (aves e mamíferos) mantêm a temperatura corporal estável com o calor do próprio metabolismo. Os ectotérmicos (a maioria dos peixes, anfíbios, répteis e invertebrados) não têm aquecimento interno eficiente e tiram calor do ambiente, como um lagarto tomando sol sobre uma pedra. Com a mesma massa corporal, um ectotérmico precisa de muito menos comida, mas fica lento quando está frio.
Tamanho do corpo. A taxa metabólica por unidade de massa corporal diminui à medida que a massa aumenta: um animal pequeno tem mais superfície para cada grama de corpo, perde calor mais rápido e precisa queimar combustível mais rápido para repô-lo. A curva é um ajuste empírico para mamíferos, 3.4M0.75 watts para o corpo todo, ou seja, 3.4M−0.25 watts por quilograma:
| animal | massa | corpo todo | por kg |
|---|
| mouse | 0.02 kg | 0.18 W | 9.04 W/kg |
| rabbit | 2 kg | 5.7 W | 2.86 W/kg |
| human | 70 kg | 82 W | 1.18 W/kg |
| horse | 500 kg | 360 W | 0.72 W/kg |
| elephant | 4,000 kg | 1700 W | 0.43 W/kg |
Um elefante gasta muito mais energia no total do que um camundongo, mas cada quilograma de camundongo gasta 21 vezes mais do que um quilograma de elefante. As setas vermelhas na figura mostram o calor de cada quilograma.
Ganho ou perda líquida. Um organismo que absorve mais energia do que gasta armazena o excesso, como gordura ou amido, e cresce. Um que absorve menos queima suas reservas e perde massa; se isso continuar, ele morre. A reprodução é cara, então muitos organismos só se reproduzem quando há energia em abundância, em uma estação específica.
cerca de um décimo é repassado, o resto se perde como calor
Na maioria dos ecossistemas, a energia entra como luz solar, passa de organismo a organismo como alimento e sai como calor. Ela flui em um só sentido; não circula.
Os autótrofos (produtores) captam energia do mundo físico: os organismos fotossintetizantes, da luz, e as bactérias e arqueias quimiossintetizantes, em fontes hidrotermais do fundo do mar, por exemplo, de substâncias químicas inorgânicas. Os heterótrofos (consumidores) obtêm energia comendo outros organismos. Os decompositores, como fungos e bactérias, degradam matéria morta e resíduos.
Cada etapa de alimentação é um nível trófico. Uma cadeia alimentar segue um caminho de alimentação; uma teia alimentar mostra todos eles.
| nível | energia armazenada (kcal/m²/ano) |
|---|
| Produtores | 20,000 |
| Consumidores primários | 2,000 |
| Consumidores secundários | 200 |
| Consumidores terciários | 20 |
Apenas cerca de 10% da energia de um nível se torna biomassa no seguinte. O restante é usado na respiração celular e perdido como calor, ou nunca é comido, ou não é digerido e passa para os decompositores. Os cubos da figura têm volumes em escala: cada um é um décimo do que está abaixo. O nível do topo recebe 0.10000000000000002% do que os produtores armazenaram, e por isso as cadeias alimentares raramente têm mais de quatro ou cinco níveis.
A produtividade primária é a taxa em que os produtores armazenam energia. A produtividade primária bruta é tudo o que a fotossíntese capta; a produtividade primária líquida é o que sobra após a respiração dos próprios produtores, PPL = PPB − R, e é o que os consumidores podem comer.
Exemplo. Dois frascos de água de lagoa começam com 8.0 mg/L de O2 dissolvido. Após um dia, o mantido na luz marca 9.5 mg/L e o mantido no escuro marca 6.8 mg/L. No escuro há apenas respiração: R = 8.0 − 6.8 = 1.2. Na luz, a produtividade líquida é 9.5 − 8.0 = 1.5. Então PPB = 1.5 + 1.2 = 2.7 mg de O2/L por dia.
carbono, nitrogênio, fósforo e água
A energia flui por um ecossistema e se perde, mas seus átomos permanecem. Carbono, nitrogênio, fósforo e água se movem entre seres vivos e reservatórios não vivos repetidamente: são os ciclos biogeoquímicos.
O carbono está em todo carboidrato, lipídio, proteína e ácido nucleico. A fotossíntese retira CO2 do ar e o transforma em açúcar (em preto, na figura); os consumidores o obtêm comendo. A respiração celular, de produtores, consumidores e decompositores, o devolve como CO2. O oceano dissolve CO2 e o libera (em azul). A queima de combustíveis fósseis devolve, em décadas, carbono que ficou enterrado por milhões de anos (em vermelho), e por isso o CO2 atmosférico aumenta.
O nitrogênio está nas proteínas e nos ácidos nucleicos. O ar tem 78% de N2, que a maioria dos organismos não consegue usar. A fixação do nitrogênio por bactérias, algumas delas nos nódulos das raízes de leguminosas, transforma N2 em amônia (NH3, como NH4+ no solo). A nitrificação, feita por outras bactérias, transforma amônio em nitrato (NO3−). As plantas absorvem amônio e nitrato; os decompositores devolvem amônio a partir da matéria morta (amonificação); a desnitrificação por bactérias devolve N2 ao ar.
O fósforo está nos ácidos nucleicos, no ATP e nos fosfolipídios. Ele não tem fase gasosa importante: entra nos ecossistemas como fosfato liberado pelo intemperismo das rochas, passa pelas teias alimentares e se deposita em sedimentos que voltam a ser rocha. O processo é lento, por isso o fósforo costuma limitar o crescimento.
A água evapora de oceanos e lagos e transpira das folhas, condensa-se e cai como precipitação, e retorna como escoamento superficial e água subterrânea.
| ciclo | principal reservatório | para os seres vivos |
|---|
| carbono | CO2 atmosférico, oceano, rocha | fotossíntese |
| nitrogênio | N2 atmosférico | fixação, depois absorção |
| fósforo | rocha e sedimento | absorção de fosfato |
| água | oceano | absorção pelas raízes |
recursos ilimitados, crescimento exponencial
Uma população é o conjunto de indivíduos de uma espécie que vive em uma área. Ela cresce por nascimentos e diminui por mortes (e por migração, deixada de lado aqui).
em que N é o tamanho da população e B e D são os nascimentos e as mortes por unidade de tempo. Com alimento e espaço ilimitados e sem doenças, cada indivíduo contribui à taxa mais alta da espécie, a taxa máxima de crescimento per capita rmax:
A taxa de crescimento é proporcional ao tamanho: quanto mais indivíduos, mais rápido surgem outros. Isso é o crescimento exponencial, uma curva em forma de J. Na figura, a reta vermelha é a inclinação da curva, dN/dt. Ela fica mais inclinada à medida que N aumenta.
A figura. 20 indivíduos com rmax = 0.4 por ano. Depois de 10 anos, há 1,092. Cada ponto à direita representa dez indivíduos.
Exemplo. Quando esta população chega a 500:
O crescimento exponencial ocorre quando os recursos são abundantes: bactérias em caldo novo, uma espécie recém-chegada a um habitat vazio, uma população se recuperando após uma queda brusca. Ele nunca dura.
o modelo logístico e a capacidade de suporte
Conforme uma população cresce, cada indivíduo recebe menos alimento, espaço e abrigo. O crescimento desacelera e para na capacidade de suporte K, a maior população que o habitat consegue sustentar.
O fator (K − N)/K é a fração da capacidade ainda não utilizada. Perto de N = 0, ele é próximo de 1 e o crescimento é quase exponencial; em N = K, ele vale 0; acima de K, é negativo e a população diminui. A curva tem forma de S: crescimento logístico.
A figura. O mesmo início de 8.3, 20 indivíduos com rmax = 0.4, agora com K = 800. A curva cinza é o crescimento exponencial com o mesmo rmax.
| N | 200 | 400 | 600 | 800 |
|---|
| dN/dt por ano | 60 | 80 | 60 | 0 |
|---|
O crescimento é mais rápido em N = K/2 = 400: 0.4 × 400 × ½ = 80 por ano.
Fatores dependentes da densidade ficam mais fortes à medida que a população se torna mais densa: competição por alimento e locais de nidificação, predação, doenças e parasitas que passam de hospedeiro para hospedeiro e o acúmulo de resíduos. Eles mantêm a população perto de K. Fatores independentes da densidade atingem a população qualquer que seja a densidade: uma geada, uma seca, um incêndio, uma enchente.
como as espécies afetam umas às outras
Uma comunidade é o conjunto de todas as populações que vivem em uma área. Sua estrutura é formada pelas espécies que ela abriga, pela quantidade de cada uma e pelo modo como interagem.
| interação | espécie 1 | espécie 2 | exemplo |
|---|
| Competição | − | − | duas espécies de plantas que usam a mesma água do solo |
| Predação | + | − | um lince comendo uma lebre |
| Herbivoria | + | − | um cervo se alimentando de arbustos |
| Parasitismo | + | − | uma tênia no intestino de um hospedeiro |
| Mutualismo | + | + | uma abelha polinizando uma flor da qual se alimenta |
| Comensalismo | + | 0 | uma craca presa a uma baleia |
(+ beneficiada, − prejudicada, 0 não afetada.) No mutualismo, ambas ganham; no comensalismo, uma ganha e a outra não é afetada. Predação, herbivoria e parasitismo alimentam uma espécie à custa da outra.
Competição. Duas espécies que precisam exatamente do mesmo recurso limitado não podem coexistir por muito tempo: uma exclui a outra (exclusão competitiva). Espécies que se sobrepõem costumam dividir o recurso, alimentando-se em alturas ou horários diferentes, e assim coexistem (partição de recursos).
Predador e presa. Quando as presas são abundantes, os predadores se alimentam bem e seu número aumenta. Mais predadores comem mais presas, e as presas diminuem. Com pouco para comer, os predadores diminuem, e as presas se recuperam. Na figura, as presas (preto) atingem o pico no ano 2.5; os predadores (vermelho) atingem o pico 2.5 anos depois, um quarto do ciclo de 10 anos de atraso.
As interações moldam uma comunidade mais do que qualquer espécie isolada: um predador pode manter sob controle um competidor superior e, assim, permitir que mais espécies persistam.
por que muitas espécies tornam um ecossistema mais robusto
Ecossistemas com mais biodiversidade costumam ser mais resilientes: resistem melhor a doenças, secas ou outras mudanças e se recuperam delas melhor do que os ecossistemas simples.
Medindo a diversidade. A diversidade depende de quantas espécies existem e de quão uniformemente os indivíduos se distribuem entre elas. O índice de diversidade de Simpson combina os dois fatores:
em que n é o número de indivíduos de uma espécie e N é o total de todas as espécies. Ele vai de 0 (uma espécie) até perto de 1 (muitas espécies em números iguais).
A figura. Duas parcelas, cada uma com 20 plantas das mesmas 4 espécies.
Uma praga mata a espécie vermelha. A parcela A mantém 75% de suas plantas; a parcela B, dominada por essa espécie, mantém 15%. A diversidade genética dentro de uma população funciona do mesmo modo: uma lavoura de plantas geneticamente idênticas pode ser destruída por uma única doença.
Espécies-chave. Algumas espécies têm um efeito muito maior do que seu número sugere. As lontras-marinhas comem ouriços-do-mar, que pastam nas algas kelp; onde as lontras foram caçadas até desaparecer, os ouriços se multiplicaram e devastaram as florestas de kelp, e as muitas espécies que viviam nelas desapareceram juntas. Quando uma espécie-chave é removida, o ecossistema muitas vezes entra em colapso.
Os produtores, na base de toda teia alimentar, e fatores abióticos como água, nutrientes e temperatura também determinam quanta diversidade um ecossistema pode abrigar.
invasores, mudanças humanas e eventos naturais
Um ecossistema moldado ao longo de muito tempo pode mudar rapidamente quando algo novo chega ou as condições se alteram.
Espécies invasoras. Uma espécie levada para um lugar novo pode encontrar recursos e nenhum predador, parasita ou competidor que a mantenha sob controle como em sua terra de origem. Ela cresce exponencialmente e toma conta de um nicho. Os mexilhões-zebra, nativos da região dos mares Negro e Cáspio, chegaram aos Grandes Lagos na água de lastro dos navios, na década de 1980. Eles filtram o fitoplâncton da água, deixando menos para o zooplâncton e para os mexilhões nativos, e se fixam nas conchas dos mexilhões nativos e os sufocam.
A figura mostra uma teia de lago modelo: à medida que o invasor vermelho cresce, o fitoplâncton diminui, os mexilhões nativos quase desaparecem e a perda sobe pela teia até os peixes.
A atividade humana muda os ambientes mais rápido do que muitas populações conseguem se adaptar: habitats destruídos ou fragmentados, sobre-exploração, poluição e mudança climática.
Eutrofização. Fertilizantes e esgoto levam nitrogênio e fósforo a lagos e costas. As algas proliferam e depois morrem; os decompositores que as degradam consomem o oxigênio dissolvido; peixes e outros animais morrem sufocados. O resultado é uma “zona morta” hipóxica.
Biomagnificação. Uma toxina persistente, como o DDT ou o metilmercúrio, é armazenada na gordura em vez de ser excretada. Cada consumidor come muitas presas e retém a toxina delas, de modo que a concentração aumenta a cada nível trófico e é mais alta nos predadores de topo. O DDT afinou as cascas dos ovos de águias e pelicanos.
Eventos naturais também causam perturbações: erupções vulcânicas, El Niño, enchentes e incêndios e, ao longo do tempo geológico, o movimento dos continentes e impactos de asteroides que causaram extinções em massa. Depois de cada um, as linhagens sobreviventes se diversificaram nos nichos esvaziados.
← Seleção natural