Biologia para Majors II

Distinguir entre componentes abióticos e bióticos do ambiente

Muitas forças influenciam as comunidades de organismos vivos presentes em diferentes partes da biosfera ( todas as partes da Terra habitadas por vida). A biosfera se estende na atmosfera (vários quilômetros acima da Terra) e nas profundezas dos oceanos. Apesar de sua aparente vastidão para um ser humano individual, a biosfera ocupa apenas um espaço minuto quando comparada ao universo conhecido. Muitas forças abióticas influenciam onde a vida pode existir e os tipos de organismos encontrados em diferentes partes da biosfera. Os fatores abióticos influenciam a distribuição de climas, flora e fauna.

Biogeografia

Biogeografia é o estudo da distribuição geográfica dos seres vivos e dos fatores abióticos que afetam sua distribuição. Fatores abióticos como temperatura e precipitação variam com base principalmente na latitude e altitude. À medida que esses fatores abióticos mudam, a composição das comunidades de plantas e animais também muda. Por exemplo, se você fosse começar uma jornada no equador e caminhar para o norte, notaria mudanças graduais nas comunidades de plantas. No início de sua jornada, você veria florestas tropicais úmidas com árvores perenes de folhas largas, que são características de comunidades de plantas encontradas perto do equador. Conforme você continuasse a viajar para o norte, veria essas plantas perenes de folhas largas eventualmente dar origem a florestas sazonalmente secas com árvores espalhadas. Você também começaria a notar mudanças na temperatura e na umidade. A cerca de 30 graus ao norte, essas florestas dariam lugar a desertos, que são caracterizados por baixa precipitação.

Movendo-se mais ao norte, você veria que os desertos são substituídos por pastagens ou pradarias. Eventualmente, as pastagens são substituídas por florestas temperadas decíduas. Essas florestas decíduas dão lugar às florestas boreais encontradas no subártico, a área ao sul do Círculo Polar Ártico. Finalmente, você alcançaria a tundra ártica, que é encontrada nas latitudes mais ao norte. Esta caminhada para o norte revela mudanças graduais no clima e nos tipos de organismos que se adaptaram a fatores ambientais associados a ecossistemas encontrados em diferentes latitudes. No entanto, diferentes ecossistemas existem na mesma latitude devido em parte a fatores abióticos, como correntes de jato, a Corrente do Golfo e correntes oceânicas. Se você fosse escalar uma montanha, as mudanças que veria na vegetação seriam paralelas àquelas conforme você se move para latitudes mais altas.

Distribuição das espécies

Ecologistas que estudam biogeografia examinam os padrões de distribuição de espécies. Nenhuma espécie existe em todos os lugares; por exemplo, a flytrap de Vênus é endêmica em uma pequena área na Carolina do Norte e South Carolina. Uma espécie endêmica é aquela que é encontrada naturalmente apenas em uma área geográfica específica, geralmente restrita em tamanho. Outras espécies são generalistas: espécies que vivem em uma ampla variedade de áreas geográficas; o guaxinim, por exemplo, é nativo da maior parte da América do Norte e Central.

Os padrões de distribuição das espécies são baseados em fatores bióticos e abióticos e suas influências durante os longos períodos de tempo necessários para a evolução das espécies; portanto, os primeiros estudos de biogeografia estiveram intimamente ligados ao surgimento do pensamento evolucionista no século XVIII. Alguns dos conjuntos mais distintos de plantas e animais ocorrem em regiões fisicamente separadas há milhões de anos por barreiras geográficas. Os biólogos estimam que a Austrália, por exemplo, tenha entre 600.000 e 700.000 espécies de plantas e animais. Aproximadamente 3/4 das espécies vivas de plantas e mamíferos são espécies endêmicas encontradas exclusivamente na Austrália (Figura 1).

Figura 1. A Austrália é o lar de muitas espécies endêmicas. O (a) wallaby (Wallabia bicolor), um membro de tamanho médio da família dos cangurus, é um mamífero com bolsa, ou marsupial. O (b) equidna (Tachyglossus aculeatus) é um mamífero que põe ovos. (crédito a: modificação do trabalho de Derrick Coetzee; crédito b: modificação do trabalho de Allan Whittome)

Às vezes, os ecologistas descobrem padrões únicos de distribuição das espécies determinando onde as espécies não são encontradas. O Havaí, por exemplo, não tem espécies terrestres nativas de répteis ou anfíbios, e tem apenas um mamífero terrestre nativo, o morcego velho. A maior parte da Nova Guiné, como outro exemplo, carece de mamíferos placentários.

As plantas podem ser endêmicas ou generalistas: as plantas endêmicas são encontradas apenas em regiões específicas da Terra, enquanto as generalistas são encontradas em muitas regiões. Terras isoladas – como Austrália, Havaí e Madagascar – costumam ter um grande número de espécies de plantas endêmicas. Algumas dessas plantas estão ameaçadas de extinção devido à atividade humana. A gardênia da floresta (Gardenia brighamii), por exemplo, é endêmica do Havaí; estima-se que apenas 15 a 20 árvores existam.

Fontes de energia

Figura 2. A beleza da primavera é uma planta efêmera que floresce no início da primavera para evitar a competição com as árvores maiores da floresta pela luz solar. (crédito: John Beetham)

A energia do sol é capturada por plantas verdes, algas, cianobactérias e protistas fotossintéticos. Esses organismos convertem a energia solar em energia química necessária a todos os seres vivos. A disponibilidade de luz pode ser uma força importante que afeta diretamente a evolução das adaptações nos fotossintetizadores. Por exemplo, as plantas no sub-bosque de uma floresta temperada são sombreadas quando as árvores acima delas no dossel estão completamente fechadas no final da primavera. Não surpreendentemente, as plantas do sub-bosque têm adaptações para capturar com sucesso a luz disponível. Uma dessas adaptações é o rápido crescimento de plantas efêmeras da primavera, como a beleza da primavera (Figura 2). Essas flores da primavera atingem grande parte de seu crescimento e terminam seu ciclo de vida (se reproduzem) no início da temporada, antes que as árvores no dossel desenvolvam folhas.

Em ecossistemas aquáticos, a disponibilidade de luz pode ser limitada porque a luz solar é absorvido pela água, plantas, partículas suspensas e microrganismos residentes. Perto do fundo de um lago, lagoa ou oceano, existe uma zona que a luz não pode alcançar. A fotossíntese não pode ocorrer lá e, como resultado, uma série de adaptações evoluíram que permitem que os seres vivos sobrevivam sem luz. Por exemplo, as plantas aquáticas têm tecido fotossintético próximo à superfície da água; por exemplo, pense nas folhas largas e flutuantes de um nenúfar – os nenúfares não sobrevivem sem luz. Em ambientes como fontes hidrotermais, algumas bactérias extraem energia de produtos químicos inorgânicos porque não há luz para a fotossíntese.

Figura 3. A ressurgência oceânica é um processo importante que recicla nutrientes e energia no oceano. Conforme o vento (setas verdes) empurra para longe da costa, faz com que a água do fundo do oceano (setas vermelhas) se mova para a superfície, trazendo nutrientes das profundezas do oceano.

A disponibilidade de nutrientes em os sistemas aquáticos também são um aspecto importante da energia ou fotossíntese. Muitos organismos afundam no fundo do oceano quando morrem em águas abertas; quando isso ocorre, a energia encontrada naquele organismo vivo é sequestrada por algum tempo, a menos que ocorra a ressurgência do oceano. A ressurgência oceânica é a ascensão das águas profundas do oceano que ocorre quando os ventos predominantes sopram ao longo das águas superficiais perto de uma linha costeira (Figura 3). À medida que o vento empurra as águas do oceano para longe da costa, a água do fundo do oceano sobe para substituir essa água. Como resultado, os nutrientes antes contidos em organismos mortos tornam-se disponíveis para reutilização por outros organismos vivos.

Em sistemas de água doce, a reciclagem de nutrientes ocorre em resposta às mudanças de temperatura do ar. Os nutrientes no fundo dos lagos são reciclados duas vezes por ano: na renovação da primavera e do outono. A rotatividade da primavera e do outono é um processo sazonal que recicla nutrientes e oxigênio da parte inferior de um ecossistema de água doce para a parte superior de um corpo dágua. Essas alterações são causadas pela formação de uma termoclina: uma camada de água com uma temperatura significativamente diferente das camadas circundantes. No inverno, a superfície dos lagos encontrados em muitas regiões do norte fica congelada. No entanto, a água sob o gelo é ligeiramente mais quente, e a água no fundo do lago é mais quente, ainda a 4 ° C a 5 ° C (39,2 ° F a 41 ° F). A água é mais densa a 4 ° C; portanto, a água mais profunda também é a mais densa. As águas mais profundas são pobres em oxigênio porque a decomposição de matéria orgânica no fundo do lago usa o oxigênio disponível que não pode ser reposto por meio da difusão de oxigênio na água devido à camada de gelo superficial.

Figura 4. As mudanças de primavera e outono são processos importantes em lagos de água doce que atuam para mover os nutrientes e oxigênio no fundo de lagos profundos para o topo. A rotatividade ocorre porque a água tem uma densidade máxima de 4 ° C. A temperatura da água superficial muda com o progresso das estações e a água mais densa afunda.

Na primavera, as temperaturas do ar aumentam e o gelo da superfície derrete. Quando a temperatura da água de superfície começa a chegar a 4 ° C, a água fica mais pesada e afunda. A água do fundo do lago é então deslocada pelas águas superficiais mais pesadas e, assim, sobe para o topo. À medida que a água sobe para o topo, os sedimentos e nutrientes do fundo do lago são trazidos junto com ela. Durante os meses de verão, a água do lago estratifica, ou forma camadas de temperatura, com a água mais quente na superfície do lago.

Conforme a temperatura do ar cai no outono, a temperatura da água do lago esfria para 4 ° C; portanto, isso causa rotatividade no outono, pois a água fria pesada afunda e desloca a água no fundo. A água rica em oxigênio na superfície do lago então se move para o fundo do lago, enquanto os nutrientes no fundo do lago sobem para a superfície. Durante o inverno, o oxigênio no fundo do lago é usado por decompositores e outros organismos que requerem oxigênio, como peixes.

Temperatura

Figura 5. Esta colorida fonte termal no Parque Nacional de Yellowstone, localizada na Midway Geyser Basin, é a maior fonte termal dos Estados Unidos e a terceira maior do mundo. Sua cor rica é o resultado de organismos termofílicos que vivem ao longo das bordas das fontes termais,

A temperatura afeta a fisiologia dos seres vivos, bem como a densidade e o estado da água. A temperatura exerce uma influência importante sobre os seres vivos porque poucos seres vivos podem sobreviver a temperaturas abaixo de 0 ° C (32 ° F) devido a restrições metabólicas. Também é raro que seres vivos sobrevivam a temperaturas superiores a 45 ° C (113 ° F); isso é um reflexo da resposta evolutiva às temperaturas típicas. As enzimas são mais eficientes dentro de uma faixa estreita e específica de temperaturas; a degradação da enzima pode ocorrer em temperaturas mais altas. Portanto, os organismos devem manter uma temperatura interna ou habitar um ambiente que manterá o corpo dentro de uma faixa de temperatura que suporte o metabolismo. Alguns animais se adaptaram para permitir que seus corpos sobrevivam a flutuações significativas de temperatura, como as observadas na hibernação ou no torpor reptiliano. Da mesma forma, algumas bactérias são adaptadas para sobreviver em temperaturas extremamente altas, como gêiseres. Essas bactérias são exemplos de extremófilos: organismos que prosperam em ambientes extremos.

A temperatura pode limitar a distribuição dos seres vivos. Animais que enfrentam flutuações de temperatura podem responder com adaptações, como migração, para sobreviver. A migração, o movimento de um lugar para outro, é uma adaptação encontrada em muitos animais, incluindo muitos que vivem em climas sazonalmente frios. A migração resolve problemas relacionados à temperatura, localização de alimentos e localização de um companheiro. Na migração, por exemplo, a andorinha-do-mar Ártico (Sterna paradisaea) faz um voo de ida e volta de 40.000 km (24.000 milhas) a cada ano entre seus locais de alimentação no hemisfério sul e seus criadouros no oceano Ártico. As borboletas monarca (Danaus plexippus) vivem no leste dos Estados Unidos nos meses mais quentes e migram para o México e o sul dos Estados Unidos no inverno. Algumas espécies de mamíferos também fazem incursões migratórias. As renas (Rangifer tarandus) viajam cerca de 5.000 km (3.100 milhas) por ano para encontrar comida. Anfíbios e répteis são mais limitados em sua distribuição porque não têm capacidade migratória. Nem todos os animais que podem migrar o fazem: a migração traz riscos e tem um alto custo de energia.

Figura 6. Esquilos hibernam no inverno, mas acordam a cada poucos dias para comer.

Alguns animais hibernam ou estivam para sobreviver a temperaturas hostis. A hibernação permite que os animais sobrevivam a condições frias, e a estivação permite que os animais sobrevivam às condições hostis de um clima quente e seco. Animais que hibernam ou estivam entram em um estado conhecido como torpor: uma condição na qual sua taxa metabólica é significativamente reduzida. Isso permite que o animal espere até que seu ambiente suporte melhor sua sobrevivência. Alguns anfíbios, como o sapo-da-madeira (Rana sylvatica), têm um produto químico semelhante ao anticongelante em suas células, que retém a integridade das células e as impede de explodir.

Fatores abióticos que influenciam o crescimento das plantas

A temperatura e a umidade são influências importantes na produção da planta (produtividade primária) e na quantidade de matéria orgânica disponível como alimento (produtividade primária líquida).A produtividade primária líquida é uma estimativa de toda a matéria orgânica disponível como alimento; é calculado como a quantidade total de carbono fixado por ano menos a quantidade que é oxidada durante a respiração celular. Em ambientes terrestres, a produtividade primária líquida é estimada pela medição da biomassa acima do solo por unidade de área, que é a massa total das plantas vivas, excluindo raízes. Isso significa que uma grande porcentagem da biomassa vegetal que existe no subsolo não está incluída nesta medição. A produtividade primária líquida é uma variável importante quando se considera as diferenças nos biomas. Biomas muito produtivos têm um alto nível de biomassa acima do solo.

A produção anual de biomassa está diretamente relacionada aos componentes abióticos do ambiente. Ambientes com a maior quantidade de biomassa têm condições em que a fotossíntese, o crescimento da planta e a produtividade primária líquida resultante são otimizados. O clima dessas áreas é quente e úmido. A fotossíntese pode prosseguir a uma taxa elevada, as enzimas podem funcionar de forma mais eficiente e os estômatos podem permanecer abertos sem o risco de transpiração excessiva; Juntos, esses fatores levam à quantidade máxima de dióxido de carbono (CO2) que entra na planta, resultando em alta produção de biomassa. A biomassa acima do solo produz vários recursos importantes para outros seres vivos, incluindo habitat e alimentos. Por outro lado, ambientes secos e frios têm taxas fotossintéticas mais baixas e, portanto, menos biomassa. As comunidades animais que vivem lá também serão afetadas pela diminuição dos alimentos disponíveis.

Nutrientes inorgânicos e solo

Os nutrientes inorgânicos, como nitrogênio e fósforo, são importantes na distribuição e na abundância de coisas vivas. As plantas obtêm esses nutrientes inorgânicos do solo quando a água entra na planta através das raízes. Portanto, a estrutura do solo (tamanho de partícula dos componentes do solo), o pH do solo e o conteúdo de nutrientes do solo desempenham um papel importante na distribuição das plantas. Os animais obtêm nutrientes inorgânicos dos alimentos que consomem. Portanto, a distribuição dos animais está relacionada à distribuição do que comem. Em alguns casos, os animais seguirão seu recurso alimentar à medida que ele se move pelo meio ambiente.

Água

A água é necessária para todos os seres vivos porque é crítica para os processos celulares. Como os organismos terrestres perdem água para o meio ambiente por simples difusão, eles desenvolveram muitas adaptações para reter água.

• Os animais serão cobertos por uma pele oleosa ou cerosa ou cutícula para reter a umidade.
• As plantas têm uma série de características interessantes em suas folhas, como pelos das folhas e uma cutícula cerosa, que servem para diminuir a taxa de perda de água por meio da transpiração.

Organismos cercados por a água não é imune ao desequilíbrio da água; eles também têm adaptações exclusivas para gerenciar a água dentro e fora das células.

• Os organismos de água doce são cercados por água e estão constantemente em perigo de que a água entre em suas células por causa da osmose. Muitas adaptações de organismos que vivem em ambientes de água doce evoluíram para garantir que as concentrações de soluto em seus corpos permaneçam dentro de níveis adequados. Uma dessas adaptações é a excreção de urina diluída; a urina diluída tem uma baixa concentração de solutos e é principalmente água, o que lhes permite expelir o excesso de água.
• Os organismos marinhos estão rodeados por água com uma concentração de solutos mais alta do que o organismo e, portanto, estão em perigo de perder água para o meio ambiente por osmose. Esses organismos apresentam adaptações morfológicas e fisiológicas para reter água e liberar solutos no meio ambiente. Por exemplo, iguanas marinhas (Amblyrhynchus cristatus) espirram vapor de água que é rico em sal para manter as concentrações de soluto dentro de uma faixa aceitável ao nadar no oceano e comer plantas marinhas.

Outros fatores aquáticos

Alguns fatores abióticos, como o oxigênio, são importantes em ecossistemas aquáticos e também em ambientes terrestres. Os animais terrestres obtêm oxigênio do ar que respiram. A disponibilidade de oxigênio pode ser um problema para organismos que vivem em altitudes muito elevadas, no entanto, onde há menos moléculas de oxigênio no ar. Em sistemas aquáticos, a concentração de oxigênio dissolvido está relacionada à temperatura da água e à velocidade com que a água se move. A água fria tem mais oxigênio dissolvido do que a água quente. Além disso, salinidade, correnteza e maré podem ser fatores abióticos importantes em ecossistemas aquáticos.

Outros fatores terrestres

Figura 7. Os cones maduros do pinheiro-bravo abrem apenas quando expostos a altas temperaturas, como durante um incêndio florestal. (crédito: USDA)

O vento pode ser um fator abiótico importante porque influencia a taxa de evaporação e transpiração.A força física do vento também é importante porque pode mover solo, água ou outros fatores abióticos, bem como os organismos de um ecossistema.

O fogo é outro fator terrestre que pode ser um importante agente de perturbação terrestre ecossistemas. Alguns organismos estão adaptados ao fogo e, portanto, requerem o alto calor associado ao fogo para completar uma parte de seu ciclo de vida. Por exemplo, o pinheiro-bravo (Pinus banksiana) – uma árvore conífera – requer calor do fogo para que seus cones de sementes se abram. É provável que um incêndio mate a maior parte da vegetação, portanto, uma muda que germina após um incêndio tem mais probabilidade de receber luz solar ampla do que uma que germina em condições normais. Por meio da queima de agulhas de pinheiro, o fogo adiciona nitrogênio ao solo e limita a competição ao destruir a vegetação rasteira.

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