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Conteúdo principal

Fluxo de energia e produtividade primária

Principais pontos

  • Os produtores primários — geralmente as plantas e outros seres fotossintetizadores — são a porta de entrada da energia em uma teia alimentar.
  • Produtividade é a taxa na qual a energia é adicionada aos corpos de um grupo de organismos — como os produtores primários — na forma de biomassa.
  • Produtividade bruta é a taxa global de captura de energia. A Produtividade líquida é inferior, ajustada para a energia utilizada pelos organismos na respiração/metabolismo.
  • A transferência de energia entre níveis tróficos é ineficiente. Apenas cerca de 10% da produtividade líquida de um nível acaba como produtividade líquida no nível seguinte.
  • Pirâmides ecológicas são representações visuais do fluxo de energia, acúmulo de biomassa e número de indivíduos nos diferentes níveis tróficos.

Introdução

Você já se perguntou o que aconteceria se todas as plantas do planeta Terra desaparecessem — junto com outros fotossintetizadores, como as algas e as bactérias?
Bem, nosso belo planeta definitivamente pareceria estéril e triste. Também perderíamos nossa principal fonte de oxigênio, essa coisa importante que respiramos e da qual depende nosso metabolismo. O dióxido de carbono já não seria retirado do ar e — à medida que ele prende calor — a Terra poderia aquecer mais rápido. Além disso, e talvez esse seja o aspecto mais problemático, quase todos os seres vivos da Terra acabariam ficando sem comida e morreriam.
Por que seria esse o caso? Em quase todos os ecossistemas, os fotossintetizadores são a única "porta de entrada" para que a energia flua para as teias alimentares — redes de organismos que comem uns aos outros. Se os fotossintetizadores fossem removidos, o fluxo de energia seria interrompido, e os outros organismos ficariam sem alimento. Dessa forma, os fotossintetizadores são a base para todos os ecossistemas que recebem luz.

Produtores são a porta de entrada da energia

Plantas, algas e bactérias fotossintetizantes atuam como produtores. Os produtores são organismos autótrofos (que se autoalimentam) que produzem suas próprias moléculas orgânicas a partir do dióxido de carbono. Os fotoautótrofos, como as plantas, utilizam a energia da luz para construir açúcares a partir do dióxido de carbono. A energia é armazenada nas ligações químicas das moléculas, que são utilizadas como combustível e material de construção pela planta.
A energia armazenada em moléculas orgânicas pode ser passada para outros organismos no ecossistema quando esses organismos comem plantas ou outros organismos que comeram plantas. Assim, todos os consumidores — ou organismos heterótrofos, que se alimentam de outros organismos — de um ecossistema dependem dos produtores do ecossistema para obter energia. Os consumidores incluem herbívoros, carnívoros e decompositores.
Se as plantas ou outros produtores de um ecossistema fossem removidos, não haveria maneira de a energia entrar na teia alimentar e a comunidade ecológica entraria em colapso. Isso ocorreria porque a energia não se recicla. Em vez disso, ela é dissipada como calor enquanto se move pelo ecossistema e deve ser constantemente reposta.
Crédito da imagem: baseada em uma imagem semelhante por J. A. Nilsson1
Na medida em que os produtores sustentam todos os outros organismos em um ecossistema, a abundância de produtores, a biomassa (ou peso seco) e a taxa de captura de energia são fundamentais para a compreensão de como a energia flui através de um ecossistema e que tipos e quantidades de outros organismos ele pode sustentar.

Produtividade primária

Na ecologia, a produtividade é a taxa pela qual a energia é adicionada aos corpos dos organismos na forma de biomassa. A biomassa é simplesmente a quantidade de matéria que é armazenada nos corpos de um grupo de organismos. A produtividade pode ser definida para qualquer nível trófico ou outro grupo, e pode ser representada tanto em unidades de energia quanto de biomassa. Existem dois tipos básicos de produtividade: bruta e líquida.
Para ilustrar a diferença, vamos considerar a produtividade primária — a produtividade dos produtores primários de um ecossistema.
  • Produtividade primária bruta, ou PPB, é a taxa segundo a qual a energia solar é capturada em moléculas de açúcar durante a fotossíntese — energia capturada por unidade de área por unidade de tempo. Os produtores como as plantas utilizam parte dessa energia para respiração celular/metabolismo e parte para o crescimento, para a construção de tecidos.
  • Produtividade primária líquida, ou PPL, é produtividade primária bruta menos a taxa de perda de energia para o metabolismo e manutenção. Em outras palavras, é a taxa segundo a qual a energia é armazenada como biomassa por plantas ou outros produtores primários e disponibilizada aos consumidores no ecossistema.
As plantas normalmente capturam e convertem de 1,3% a 1,6%, aproximadamente, da energia solar que atinge a superfície da Terra e usam cerca de um quarto da energia capturada para o metabolismo e manutenção. Portanto, cerca de 1% da energia solar que atinge a superfície da Terra — por unidade de área e tempo — acaba como produtividade primária líquida.
A produtividade primária líquida varia entre ecossistemas e depende de muitos fatores, os quais incluem a entrada de energia solar, níveis de temperatura e umidade, níveis de dióxido de carbono, disponibilidade de nutrientes e interações da comunidade: por exemplo, pastagem por herbívoros2. Esses fatores afetam a quantidade de fotossintetizadores presentes para capturar a energia da luz e a eficiência deles para executar sua função.
Em ecossistemas terrestres, a produtividade primária varia de cerca de 2.000 g/m2/ano em florestas tropicais altamente produtivas e pântanos salinos a menos de 100 g/m2/ano em alguns desertos. Podemos observar como a produtividade primária líquida varia em escalas de tempo mais curtas no mapa dinâmico abaixo, que mostra variações sazonais e de ano a ano na produtividade primária líquida dos ecossistemas terrestres em todo o globo.
Crédito da imagem: Net primary productivity por NASA, domínio público

Como a energia move-se entre os níveis tróficos?

A energia pode passar de um nível trófico para o seguinte quando as moléculas orgânicas do corpo de um organismo são comidas por outro organismo. No entanto, a transferência de energia entre os níveis tróficos geralmente não é muito eficiente.
Quão ineficiente? Em média, apenas cerca de 10% da energia armazenada como biomassa em um nível trófico — por exemplo, os produtores primários — será armazenada como biomassa no próximo nível trófico — por exemplo, os consumidores primários. Dito de outra forma, a produtividade líquida geralmente cai por um fator de dez de um nível trófico para o próximo.
Por exemplo, em um ecossistema aquático em Silver Springs, na Flórida, as produtividades líquidas — taxas de armazenamento de energia como biomassa — para níveis tróficos foram as seguintes:3
  • Produtores primários, como plantas e algas: 7.618 kcal/m2/ano
  • Consumidores primários, como lesmas e larvas de insetos: 1.103 kcal/m2/ano
  • Consumidores secundários, como peixes e insetos grandes: 111 kcal/m2/ano
  • Consumidores terciários, como peixes grandes e cobras: 5 kcal/m2/ano
A eficiência de transferência varia entre os níveis e não é exatamente 10%, mas podemos observar, por meio de alguns cálculos, que ela é bem próxima disso. Por exemplo, a eficiência de transferência entre os produtores primários e os consumidores primários é:
Eficiência de transferência= 1.103kcal/m2/ano7.618kcal/m2/ano×100
Eficiência de transferência=14,5%
Produtores — plantas — e consumidores — peixes — de Silver Springs. Créditos da imagem: Glass Bottom Boat ride, Silver Springs Florida, por Katie Yaeger Rotramel, CC BY-NC-SA 2.0
Por que a transferência de energia é ineficiente? Há várias razões. Uma é que nem todos os organismos em um nível trófico inferior serão comidos por aqueles em um nível trófico superior. Outra é que algumas moléculas do corpo dos organismos que realmente são comidos não são digeríveis pelos predadores e são perdidas em suas fezes — cocô. Os organismos mortos e as fezes se tornam jantar para os decompositores. Finalmente, das moléculas que carregam energia que são de fato absorvidas por predadores, algumas são utilizadas na respiração celular, em vez de serem armazenadas como biomassa.4,5
Quer ver alguns números concretos por trás desses conceitos?

Pirâmides ecológicas

Podemos analisar números e fazer cálculos para ver como a energia flui através de um ecossistema. Mas não seria bom ter um diagrama que captasse essa informação de uma forma fácil de processar?
As pirâmides ecológicas fornecem um retrato intuitivo e visual de como se comparam os níveis tróficos de um ecossistema em relação a uma característica de interesse, como fluxo de energia, biomassa ou número de organismos. Vamos examinar esses três tipos de pirâmides e ver como elas refletem a estrutura e função dos ecossistemas.

Pirâmides de energia

As pirâmides de energia representam o fluxo de energia através dos níveis tróficos. Por exemplo, a pirâmide abaixo mostra a produtividade bruta para cada nível trófico do ecossistema de Silver Springs. Uma pirâmide de energia mostra geralmente as taxas de fluxo de energia através dos níveis tróficos, não as quantidades absolutas de energia armazenada. Podem ser em unidades de energia, tais como kcal/m2/ano, ou unidades de biomassa, tais como g/m2/ano.
Crédito da imagem: modificada de Energy flow: Figure 3, por OpenStax College, Biology CC BY 4.0
As pirâmides de energia são sempre verticais, isto é, mais estreitas a cada nível sucessivo — a menos que organismos vindos de outros lugares entrem no ecossistema. Esse padrão reflete as leis da termodinâmica, que nos dizem que não se pode criar energia nova, e que uma parte dela deve ser convertida em uma forma não útil — calor — em cada transferência.

Pirâmides de biomassa

Outra forma de visualizar a estrutura do ecossistema é a partir das pirâmides de biomassa. Essas pirâmides representam a quantidade de energia que é armazenada no tecido vivo nos diferentes níveis tróficos. Diferentemente das pirâmides de energia, as pirâmides de biomassa mostram a quantidade de biomassa presente em um nível, não a taxa segundo a qual ela é adicionada.
Abaixo à esquerda, podemos ver uma pirâmide de biomassa para o ecossistema de Silver Springs. Essa pirâmide, como muitas pirâmides de biomassa, é vertical. Contudo, a pirâmide de biomassa mostrada à direita – de um ecossistema marinho no Canal da Mancha – está de cabeça para baixo, isto é, invertida.
Crédito da imagem: modificada de Energy flow: Figure 3, por OpenStax College, Biology CC BY 4.0
A pirâmide invertida é possível em razão da alta taxa de rotatividade do fitoplâncton. Eles são rapidamente comidos pelos consumidores primários — zooplâncton —, portanto sua biomassa é sempre pequena. No entanto, eles se reproduzem tão rápido que, apesar do baixo estado de equilíbrio de sua biomassa, têm uma alta produtividade primária capaz de sustentar grandes quantidades de zooplâncton.

Pirâmides de números

As pirâmides de números mostram quantos organismos individuais existem em cada nível trófico. Elas podem estar na vertical, invertidas ou meio irregulares, dependendo do ecossistema.
Como mostrado na figura abaixo, uma típica pastagem tem, durante o verão, uma base de diversas plantas, e os números de organismos diminuem nos níveis tróficos superiores. Todavia, durante o verão em uma floresta temperada, a base da pirâmide, em vez disso, consiste em poucas plantas, principalmente árvores, que são amplamente superadas em número pelos consumidores primários, principalmente insetos. Uma vez que as árvores individuais são grandes, elas podem sustentar os outros níveis tróficos, apesar de estarem em menor número.
Crédito da imagem: modificada de Energy flow: Figure 3, por OpenStax College, Biology CC BY 4.0

Resumo

Os produtores primários, que são geralmente plantas e outros fotossintetizadores, são a porta de entrada pela qual a energia entra nas teias alimentares.
Produtividade é a taxa segundo a qual a energia é adicionada ao corpo de um grupo de organismos, como produtores primários, na forma de biomassa. A produtividade bruta é a taxa global de captura de energia. A produtividade líquida é menor; ela é a produtividade bruta ajustada para a energia utilizada pelos organismos na respiração e no metabolismo, portanto reflete a quantidade de energia armazenada como biomassa.
A transferência de energia entre níveis tróficos não é muito eficiente. Somente cerca de 10% da produtividade líquida de um nível acaba se tornando produtividade líquida do próximo nível.
As pirâmides ecológicas são representações visuais do fluxo de energia, acúmulo de biomassa e número de indivíduos em diferentes níveis tróficos.

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