Ecossistema





Um ecossistema é uma comunidade de organismos vivos em conjunto com os componentes inanimados de seu ambiente, interagindo como um sistema.  Estes componentes bióticos e abióticos estão ligados entre si através de ciclos de nutrientes e fluxos de energia.  A energia entra no sistema através da fotossíntese e é incorporada ao tecido vegetal. Alimentando-se de plantas e uns sobre os outros, os animais desempenham um papel importante no movimento da matéria e energia através do sistema. Eles também influenciam a quantidade de biomassa vegetal e microbiana presente. Ao quebrar matéria orgânica morta,os decompositores liberam o carbono de volta à atmosfera e facilitam o ciclo de nutrientes, convertendo os nutrientes armazenados na biomassa morta de volta a uma forma que pode ser prontamente usada por plantas e outros micróbios.

Os ecossistemas são controlados por fatores externos e internos. Fatores externos como o clima , o material original que forma o solo e a topografia , controlam a estrutura geral de um ecossistema, mas não são influenciados pelo ecossistema.

Os ecossistemas são entidades dinâmicas - estão sujeitos a perturbações periódicas e estão em processo de recuperação de alguma perturbação do passado.  Ecossistemas em ambientes similares que estão localizados em diferentes partes do mundo podem acabar fazendo coisas de maneira muito diferente simplesmente porque eles têm diferentes grupos de espécies presentes.  Fatores internos não apenas controlam os processos do ecossistema, mas também são controlados por eles e estão freqüentemente sujeitos a ciclos de retroalimentação .

As entradas de recursos são geralmente controladas por processos externos, como clima e material parental. A disponibilidade de recursos dentro do ecossistema é controlada por fatores internos como decomposição, competição de raiz ou sombreamento.  Embora os seres humanos operem dentro dos ecossistemas, seus efeitos cumulativos são grandes o suficiente para influenciar fatores externos como o clima.

A biodiversidade afeta o funcionamento do ecossistema, assim como os processos de perturbação e sucessão . Os ecossistemas fornecem uma variedade de bens e serviços dos quais as pessoas dependem.

História

O termo ecossistema foi usado pela primeira vez em 1935 em uma publicação do ecologista britânico Arthur Tansley . Tansley desenvolveu o conceito para chamar a atenção para a importância das transferências de materiais entre organismos e seu ambiente.  Mais tarde, ele refinou o termo, descrevendo-o como "todo o sistema, ... incluindo não apenas o complexo do organismo, mas também todo o complexo de fatores físicos que formam o que chamamos de ambiente".  Tansley considerava os ecossistemas não simplesmente como unidades naturais, mas como "isolados mentais".  Tansley posteriormente definiu a extensão espacial dos ecossistemas usando o termo ecótopo .

G. Evelyn Hutchinson , uma limnologista que era contemporânea de Tansley, combinou as idéias de Charles Elton sobre ecologia trófica com as do geoquímico russo Vladimir Vernadsky . Como resultado, ele sugeriu que a disponibilidade de nutrientes minerais em um lago limitava a produção de algas . Isso, por sua vez, limitaria a abundância de animais que se alimentam de algas. Raymond Lindeman levou essas idéias adiante para sugerir que o fluxo de energia através de um lago era o principal condutor do ecossistema. Os alunos de Hutchinson, os irmãos Howard T. Odum e Eugene P. Odum, desenvolveu ainda uma "abordagem sistêmica" para o estudo dos ecossistemas. Isto permitiu-lhes estudar o fluxo de energia e material através de sistemas ecológicos.

Processos

Os ecossistemas são controlados por fatores externos e internos. Fatores externos, também chamados de fatores de estado, controlam a estrutura geral de um ecossistema e a maneira como as coisas funcionam dentro dele, mas não são influenciados pelo ecossistema. O mais importante deles é o clima .  O clima determina o bioma em que o ecossistema está inserido. Os padrões de precipitação e as temperaturas sazonais influenciam a fotossíntese e, assim, determinam a quantidade de água e energia disponível para o ecossistema.

O material dos pais determina a natureza do solo em um ecossistema e influencia o suprimento de nutrientes minerais. A topografia também controla os processos do ecossistema, afetando coisas como o microclima , o desenvolvimento do solo e o movimento da água através de um sistema. Por exemplo, os ecossistemas podem ser bem diferentes se situados em uma pequena depressão na paisagem, em comparação a um presente em uma encosta íngreme adjacente.

Outros fatores externos que desempenham um papel importante no funcionamento do ecossistema incluem biota temporal e potencial . Da mesma forma, o conjunto de organismos que podem estar potencialmente presentes em uma área também pode afetar significativamente os ecossistemas. Ecossistemas em ambientes semelhantes que estão localizados em diferentes partes do mundo podem acabar fazendo as coisas de maneira muito diferente, simplesmente porque eles têm diferentes grupos de espécies presentes.  A introdução de espécies não-nativas pode causar mudanças substanciais na função do ecossistema.

Ao contrário dos fatores externos, os fatores internos nos ecossistemas não controlam apenas os processos do ecossistema, mas também são controlados por eles. Consequentemente, eles estão frequentemente sujeitos a ciclos de feedback .  Embora as entradas de recursos sejam geralmente controladas por processos externos como clima e material parental, a disponibilidade desses recursos dentro do ecossistema é controlada por fatores internos, como decomposição, competição com raízes ou sombreamento. Outros fatores, como perturbação, sucessão ou os tipos de espécies presentes, também são fatores internos.

Produção primária

A produção primária é a produção de matéria orgânica a partir de fontes de carbono inorgânico. Isso ocorre principalmente através da fotossíntese . A energia incorporada através deste processo suporta a vida na Terra, enquanto o carbono compõe grande parte da matéria orgânica em biomassa viva e morta, carbono do solo e combustíveis fósseis . Também impulsiona o ciclo do carbono , que influencia o clima global através do efeito estufa .

Através do processo de fotossíntese, as plantas captam energia da luz e a utilizam para combinar dióxido de carbono e água para produzir carboidratos e oxigênio . A fotossíntese realizada por todas as plantas em um ecossistema é chamada de produção primária bruta (GPP). Cerca de metade do GPP é consumido na respiração da planta.  O restante, a porção da GPP que não é usada pela respiração, é conhecida como a produção primária líquida (NPP).  A fotossíntese total é limitada por uma série de fatores ambientais. Estes incluem a quantidade de luz disponível, a quantidade de folhas a área que uma planta precisa capturar luz (o sombreamento por outras plantas é uma limitação importante da fotossíntese), taxa na qual o dióxido de carbono pode ser fornecido aos cloroplastos para suportar a fotossíntese, a disponibilidade de água e a disponibilidade de temperaturas adequadas para realizar a fotossíntese .

Fluxo de energia

Energia e carbono entram nos ecossistemas através da fotossíntese , são incorporados ao tecido vivo, transferidos para outros organismos que se alimentam da matéria vegetal viva e morta e, eventualmente, liberados pela respiração.

O carbono e a energia incorporados nos tecidos vegetais (produção primária líquida) são consumidos pelos animais enquanto a planta está viva, ou permanece sem ser consumida quando o tecido da planta morre e se torna detrito . Nos ecossistemas terrestres , cerca de 90% da produção primária líquida acaba sendo decomposta por decompositores . O restante é consumido por animais ainda vivos e entra no sistema trófico baseado em vegetais, ou é consumido após a sua morte, e entra no sistema trófico baseado em detritos.

Nos sistemas aquáticos , a proporção de biomassa vegetal que é consumida pelos herbívoros é muito maior. Em sistemas tróficos, os organismos fotossintéticos são os principais produtores. Os organismos que consomem seus tecidos são chamados de consumidores primários ou produtores secundários - herbívoros . Os organismos que se alimentam de micróbios ( bactérias e fungos ) são denominados microbivores . Animais que se alimentam de consumidores primários - carnívoros - são consumidores secundários. Cada um destes constitui um nível trófico .

A seqüência do consumo - da planta ao herbívoro, ao carnívoro - forma uma cadeia alimentar . Os sistemas reais são muito mais complexos do que isso - os organismos geralmente se alimentam de mais de uma forma de alimento e podem se alimentar em mais de um nível trófico. Os carnívoros podem capturar algumas presas que fazem parte de um sistema trófico baseado em plantas e outras que fazem parte de um sistema trófico baseado em detritos (uma ave que se alimenta de gafanhotos herbívoros e minhocas, que consomem detritos). Sistemas reais, com todas essas complexidades, formam teias alimentares ao invés de cadeias alimentares.

Decomposição

O carbono e os nutrientes da matéria orgânica morta são decompostos por um grupo de processos conhecidos como decomposição . Isso libera nutrientes que podem ser reutilizados para a produção microbiana e vegetal e retorna o dióxido de carbono para a atmosfera (ou água), onde pode ser usado para a fotossíntese . Na ausência de decomposição, a matéria orgânica morta se acumularia em um ecossistema, e os nutrientes e o dióxido de carbono atmosférico seriam esgotados. Aproximadamente 90% da produção primária líquida terrestre vai diretamente da planta para o decompositor.

Os processos de decomposição podem ser separados em três categorias - lixiviação , fragmentação e alteração química do material morto. À medida que a água se move através da matéria orgânica morta, ela se dissolve e carrega consigo os componentes solúveis em água. Estes são então absorvidos por organismos no solo, reagem com o solo mineral ou são transportados para além dos limites do ecossistema (e são considerados perdidos).  Folhas recém-abandonadas e animais recém-mortos têm altas concentrações de componentes solúveis em água e incluem açúcares , aminoácidos e nutrientes minerais. A lixiviação é mais importante em ambientes úmidos e muito menos importante em ambientes secos.

Processos de fragmentação quebram material orgânico em pedaços menores, expondo novas superfícies para colonização por micróbios. A serapilheira recém-descamada pode ficar inacessível devido a uma camada externa de cutícula ou casca , e o conteúdo celular é protegido por uma parede celular . Animais recém-mortos podem ser cobertos por um exoesqueleto . Os processos de fragmentação, que quebram essas camadas protetoras, aceleram a taxa de decomposição microbiana.  Os animais fragmentam detritos quando caçam por comida, assim como a passagem pelo intestino. Os ciclos de congelamento-descongelamento e os ciclos de molhagem e secagem também fragmentam o material morto.

A alteração química da matéria orgânica morta é alcançada principalmente através de ação bacteriana e fúngica. As hifas fúngicas produzem enzimas que podem romper as duras estruturas externas que cercam o material das plantas mortas. Eles também produzem enzimas que quebram a lignina , o que lhes permite o acesso ao conteúdo das células e ao nitrogênio da lignina. Os fungos podem transferir carbono e nitrogênio através de suas redes de hifas e, assim, ao contrário das bactérias, não dependem apenas dos recursos disponíveis localmente.

As taxas de decomposição variam entre os ecossistemas.  A taxa de decomposição é governada por três conjuntos de fatores - o ambiente físico (temperatura, umidade e propriedades do solo), a quantidade e a qualidade do material morto disponível para os decompositores e a natureza da própria comunidade microbiana.Temperatura controla a taxa de respiração microbiana; quanto maior a temperatura, mais rápida a decomposição microbiana ocorre. Também afeta a umidade do solo, o que retarda o crescimento microbiano e reduz a lixiviação. Os ciclos de congelamento e descongelamento também afetam a decomposição - temperaturas congelantes matam os microorganismos do solo, o que permite que a lixiviação desempenhe um papel mais importante na movimentação de nutrientes ao redor. Isso pode ser especialmente importante quando o solo descongela na primavera, criando um pulso de nutrientes que se torna disponível.

As taxas de decomposição são baixas em condições muito úmidas ou muito secas. As taxas de decomposição são mais altas em condições úmidas e úmidas com níveis adequados de oxigênio. Solos úmidos tendem a se tornar deficientes em oxigênio (isso é especialmente verdadeiro em áreas úmidas ), o que retarda o crescimento microbiano. Em solos secos, a decomposição também diminui, mas as bactérias continuam a crescer (embora a uma taxa mais lenta) mesmo depois que os solos se tornam muito secos para suportar o crescimento das plantas

Ciclagem de nutrientes

Os ecossistemas trocam continuamente energia e carbono com o ambiente mais amplo . Os nutrientes minerais, por outro lado, são em grande parte reciclados entre plantas, animais, micróbios e o solo. A maior parte do nitrogênio entra nos ecossistemas através da fixação biológica de nitrogênio , é depositada através de precipitação, poeira, gases ou é aplicada como fertilizante .

Como a maioria dos ecossistemas terrestres é limitada por nitrogênio , o ciclo do nitrogênio é um importante controle na produção de ecossistemas.

Até os tempos modernos, a fixação de nitrogênio era a principal fonte de nitrogênio para os ecossistemas. Bactérias fixadoras de nitrogênio ou vivem simbioticamente com plantas ou vivem livremente no solo. O custo energético é alto para as plantas que suportam simbiontes fixadores de nitrogênio - até 25% da produção primária bruta quando medida em condições controladas. Muitos membros da família das leguminosas suportam simbiontes fixadores de nitrogênio. Algumas cianobactérias também são capazes de fixação de nitrogênio. Estes são fototróficos , que realizam a fotossíntese. Como outras bactérias fixadoras de nitrogênio, elas podem ter vida livre ou ter relações simbióticas com as plantas.  Outras fontes de nitrogênio incluem deposição ácidaproduzido através da combustão de combustíveis fósseis , gás de amônia que evapora de campos agrícolas que tiveram fertilizantes aplicados a eles e poeira. As entradas de nitrogênio antropogênico representam cerca de 80% de todos os fluxos de nitrogênio nos ecossistemas.

Quando os tecidos vegetais são eliminados ou são ingeridos, o nitrogênio nesses tecidos torna-se disponível para os animais e micróbios. A decomposição microbiana libera compostos nitrogenados de matéria orgânica morta no solo, onde plantas, fungos e bactérias competem por ela. Algumas bactérias do solo usam compostos orgânicos contendo nitrogênio como fonte de carbono e liberam íons de amônio no solo. Este processo é conhecido como mineralização de nitrogênio . Outros convertem o amônio em íons nitrito e nitrato , um processo conhecido como nitrificação . O óxido nítrico e o óxido nitroso também são produzidos durante a nitrificação. Em condições pobres em nitrogênio e pobres em oxigênio, nitratos e nitritos são convertidos em gás nitrogênio , um processo conhecido como desnitrificação .

Outros nutrientes importantes incluem fósforo , enxofre , cálcio , potássio , magnésio e manganês .  O fósforo entra nos ecossistemas através do intemperismo . À medida que os ecossistemas envelhecem, esse suprimento diminui, tornando a limitação de fósforo mais comum em paisagens mais antigas (especialmente nos trópicos).Cálcio e enxofre também são produzidos pelo intemperismo, mas a deposição ácida é uma importante fonte de enxofre em muitos ecossistemas. Embora o magnésio e o manganês sejam produzidos pelo intemperismo, as trocas entre a matéria orgânica do solo e as células vivas são responsáveis ​​por uma parcela significativa dos fluxos do ecossistema. O potássio é primeiramente ciclado entre as células vivas e a matéria orgânica do solo.

Função e biodiversidade

A biodiversidade desempenha um papel importante no funcionamento do ecossistema. A razão para isso é que os processos do ecossistema são impulsionados pelo número de espécies em um ecossistema, a natureza exata de cada espécie individual e os organismos de abundância relativa dentro dessas espécies.Processos ecossistêmicos são generalizações amplas que realmente ocorrem através das ações de organismos individuais. A natureza dos organismos - as espécies, os grupos funcionais e os níveis tróficos aos quais pertencem - dita os tipos de ações que esses indivíduos são capazes de realizar e a eficiência relativa com que eles o fazem.

A teoria ecológica sugere que, para coexistir, as espécies devem ter algum nível de similaridade limitante - elas devem ser diferentes umas das outras de alguma forma fundamental, caso contrário, uma espécie excluiria a outra de forma competitiva .  Apesar disso, o efeito cumulativo de espécies adicionais em um ecossistema não é linear - espécies adicionais podem aumentar a retenção de nitrogênio, por exemplo, mas além de algum nível de riqueza de espécies, espécies adicionais podem ter pouco efeito aditivo.

A adição (ou perda) de espécies que são ecologicamente semelhantes àquelas já presentes em um ecossistema tende a ter apenas um pequeno efeito na função do ecossistema. Espécies ecologicamente distintas, por outro lado, têm um efeito muito maior. Da mesma forma, espécies dominantes têm um grande efeito na função do ecossistema, enquanto espécies raras tendem a ter um pequeno efeito. As espécies-chave tendem a ter um efeito sobre a função do ecossistema que é desproporcional à sua abundância em um ecossistema.Da mesma forma, um engenheiro de ecossistema é qualquer organismo que cria, modifica significativamente, mantém ou destrói um habitat .

Dinâmica
Os ecossistemas são entidades dinâmicas. Estão sujeitos a perturbações periódicas e estão em processo de recuperação de algum distúrbio do passado.  Quando uma perturbação ocorre, um ecossistema responde afastando-se de seu estado inicial. A tendência de um ecossistema permanecer próximo ao seu estado de equilíbrio, apesar dessa perturbação, é denominada sua resistência . Por outro lado, a velocidade com que ele retorna ao seu estado inicial após perturbação é chamada de resiliência . O tempo desempenha um papel no desenvolvimento do solo a partir da rocha nua e na recuperação de uma comunidade contra perturbações .

De um ano para outro, os ecossistemas experimentam variações em seus ambientes bióticos e abióticos. Uma seca, um inverno especialmente frio e um surto de pragas, todos constituem uma variabilidade de curto prazo nas condições ambientais. As populações de animais variam de ano para ano, acumulando-se durante períodos ricos em recursos e quebrando à medida que superam seu suprimento de alimentos. Essas mudanças se refletem nas mudanças nas taxas de decomposição da produção primária líquida e em outros processos ecossistêmicos.  Mudanças de longo prazo também moldam os processos do ecossistema - as florestas do leste da América do Norte ainda mostram legados de cultivo que cessaram há 200 anos, enquanto a produção de metano no leste da Sibérialagos é controlado pela matéria orgânica que se acumulou durante o Pleistoceno .


A perturbação também desempenha um papel importante nos processos ecológicos. F. Stuart Chapin e co-autores definem perturbação como "um evento relativamente discreto no tempo e no espaço que altera a estrutura das populações, comunidades e ecossistemas e provoca mudanças na disponibilidade de recursos ou no ambiente físico".  Isso pode variar de quedas de árvores e surtos de insetos a furacões e incêndios florestais a erupções vulcânicas. Tais perturbações podem causar grandes mudanças nas populações de plantas, animais e microorganismos, bem como no conteúdo de matéria orgânica do solo.  A perturbação é seguida pela sucessão , uma "mudança direcional na estrutura e no funcionamento do ecossistema resultante de mudanças na oferta de recursos orientadas pelo biótipo".

A frequência e a gravidade da perturbação determinam o modo como afeta a função do ecossistema. Um grande distúrbio como uma erupção vulcânica ou um avanço e recuo glacial deixam para trás os solos que não possuem plantas, animais ou matéria orgânica. Os ecossistemas que experimentam esses distúrbios passam por uma sucessão primária . Um distúrbio menos severo como incêndios florestais, furacões ou cultivo resulta em sucessão secundária e uma recuperação mais rápida.  Distúrbios mais graves e perturbações mais frequentes resultam em tempos de recuperação mais longos

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