02. Fluxos de energia e materiais atrav

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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.

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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.

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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.

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Fotossíntese.

• Pode-se resumir o processo da fotossíntese pelas
  plantas verdes da seguinte maneira

Água Dióxido de carbono Nutrientes
Material orgânico Oxigênio .

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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

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Modelo de Produção e Consumo na floresta

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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.

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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.

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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.

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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). Uma
  kilocaloria são mil calorias. Um corpo humano
  libera cerca de 2500 kilocalorias por dia,
  energia proporcionada pelos alimentos consumidos.

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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.

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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).

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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 105. 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.

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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.

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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.

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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. .

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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.

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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.

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O CICLO DE ÁGUA NA FLORESTA.
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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.

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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.

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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.

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O CICLO DO FÓSFORO.
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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.

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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.

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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. .

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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.

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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.

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O CICLO DO NITROGÊNIO.
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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.

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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.

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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.

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QUESTÕES

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

35
QUESTÕES

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

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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.