6.1.1.4: Cadeias alimentares e cadeias alimentares

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Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

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As interações tróficas em uma comunidade podem ser representadas por diagramas chamados cadeias alimentares e teias alimentares. Antes de discutir essas representações em detalhes, devemos primeiro revisar os fundamentos da energia. A energia flui através de uma comunidade como resultado de interações tróficas.

Energia

Praticamente todas as tarefas realizadas por organismos vivos requerem energia. Em geral, energia é definida como a capacidade de trabalhar ou criar algum tipo de mudança. A energia existe em diferentes formas. Os exemplos incluem energia luminosa, energia cinética, energia térmica, energia potencial e energia química.

Quando um objeto está em movimento, há energia associada a esse objeto. Pense em uma bola de demolição. Até mesmo uma bola de demolição lenta pode causar muitos danos a outros objetos. A energia associada a objetos em movimento é chamada de energia cinética. A energia térmica é a energia do movimento na matéria (qualquer coisa que ocupe espaço e tenha massa) e é considerada um tipo de energia cinética. Quanto mais quente a substância, mais rápido suas moléculas se movem. O movimento rápido das moléculas no ar, uma bala em alta velocidade e uma pessoa andando têm energia cinética. Agora, e se a mesma bola de demolição imóvel for levantada dois andares acima do solo com um guindaste? Se a bola de demolição suspensa não estiver se movendo, há energia associada a ela? A resposta é sim. A energia necessária para levantar a bola de demolição não desapareceu, mas agora está armazenada na bola de demolição em virtude de sua posição e da força da gravidade atuando sobre ela. Esse tipo de energia é chamado de energia potencial. Se a bola caísse, a energia potencial seria transformada em energia cinética até que toda a energia potencial fosse esgotada quando a bola descansasse no chão. As bolas de demolição também balançam como um pêndulo; através do balanço, há uma mudança constante de energia potencial (mais alta no topo do balanço) para energia cinética (mais alta na parte inferior do balanço). Outros exemplos de energia potencial incluem a energia da água retida atrás de uma barragem ou de uma pessoa prestes a saltar de paraquedas de um avião (figura$\PageIndex{a}$).

A energia potencial não está associada apenas à localização da matéria, mas também à estrutura da matéria. A energia química é um exemplo de energia potencial armazenada nas moléculas. Quando moléculas com maior energia e menos estáveis reagem para formar produtos com menor energia e mais estáveis, essa energia armazenada é liberada. A energia química é responsável por fornecer às células vivas a energia dos alimentos.

Para apreciar a forma como a energia entra e sai dos sistemas biológicos, é importante compreender duas das leis físicas que governam a energia. A primeira lei da termodinâmica afirma que a quantidade total de energia no universo é constante e conservada. Em outras palavras, sempre houve, e sempre haverá, exatamente a mesma quantidade de energia no universo. A energia existe em muitas formas diferentes. De acordo com a primeira lei da termodinâmica, a energia pode ser transferida de um lugar para outro ou transformada em formas diferentes, mas não pode ser criada ou destruída. As transferências e transformações de energia ocorrem ao nosso redor o tempo todo. As lâmpadas transformam energia elétrica em energia luminosa e térmica. Os fogões a gás transformam a energia química do gás natural em energia térmica. As plantas realizam uma das transformações de energia biologicamente mais úteis na Terra: a de converter a energia da luz solar em energia química armazenada em moléculas biológicas, como os açúcares (figura$\PageIndex{b}$).

Uma casquinha de sorvete (canto superior esquerdo), meninos em bicicletas (canto inferior esquerdo), sol (canto superior direito) e uma folha (canto inferior direito). — Figura$\PageIndex{b}$: São mostrados alguns exemplos de energia transferida e transformada de um sistema para outro e de uma forma para outra. Os alimentos que consumimos, representados pela casquinha de sorvete, fornecem às nossas células a energia química necessária para realizar as funções corporais. Isso pode ser convertido em energia cinética (a energia do movimento), que seria necessária para andar de bicicleta. As folhas conduzem a fotossíntese, convertendo a energia luminosa do sol em energia química. (crédito “sorvete”: modificação da obra de D. Sharon Pruitt; crédito “crianças”: modificação da obra de Max de Providence; crédito “folha”: modificação da obra de Cory Zanker)

O desafio para todos os organismos vivos é obter energia de seus arredores em formas que sejam utilizáveis para realizar o trabalho celular. As principais tarefas de uma célula viva de obter, transformar e usar energia para trabalhar podem parecer simples. No entanto, a segunda lei da termodinâmica explica por que essas tarefas são mais difíceis do que parecem. Todas as transferências e transformações de energia nunca são completamente eficientes. Em cada transferência de energia, uma certa quantidade de energia é perdida de uma forma inutilizável. Na maioria dos casos, essa forma é energia térmica. Por exemplo, quando uma lâmpada é ligada, parte da energia que está sendo convertida de energia elétrica em energia luminosa é perdida como energia térmica. Da mesma forma, parte da energia é perdida como energia térmica durante as reações metabólicas que ocorrem nos organismos.

O conceito de ordem e desordem está relacionado à segunda lei da termodinâmica. Quanto mais energia é perdida por um sistema em seu entorno, menos ordenado e mais aleatório é o sistema. Os cientistas se referem à medida da aleatoriedade ou desordem dentro de um sistema como entropia. Alta entropia significa alta desordem e baixa energia. Os seres vivos são altamente ordenados, exigindo uma entrada constante de energia para serem mantidos em um estado de baixa entropia.

Fluxo de energia

As células funcionam com a energia química encontrada principalmente nas moléculas de carboidratos, e a maioria dessas moléculas é produzida por um processo: a fotossíntese. Por meio da fotossíntese, certos organismos convertem a energia solar (luz solar) em energia química, que é então usada para construir moléculas de carboidratos (figura$\PageIndex{c}$). A energia que é aproveitada da fotossíntese entra continuamente nas comunidades e é transferida de um organismo para outro. Portanto, direta ou indiretamente, o processo de fotossíntese fornece a maior parte da energia necessária aos seres vivos na Terra. Veja o ciclo do carbono e a fotossíntese no OpenStax Concepts of Biology para obter mais detalhes sobre a fotossíntese.

Uma árvore com setas representando as entradas e saídas da fotossíntese — Figura$\PageIndex{c}$: A fotossíntese usa energia solar, dióxido de carbono e água para liberar oxigênio e produzir moléculas de açúcar que armazenam energia. Imagem e legenda da OpenStax (CC-BY). Acesse gratuitamente em openstax.org.

Organismos que conduzem a fotossíntese (como plantas, algas e algumas bactérias) e organismos que sintetizam açúcares por outros meios são chamados de produtores. Sem esses organismos, a energia não estaria disponível para outros organismos vivos e a vida não seria possível. Consumidores, como animais, fungos e vários microrganismos, dependem dos produtores, direta ou indiretamente. Por exemplo, um cervo obtém energia comendo plantas. Um lobo comendo um cervo obtém energia que veio originalmente das plantas comidas por esse cervo (figura$\PageIndex{d}$). Usando esse raciocínio, todos os alimentos consumidos por humanos podem ser rastreados até produtores que realizam a fotossíntese (figura$\PageIndex{e}$).

Fluxograma demonstrando a transferência de energia do sol para produtores e consumidores. Produtores e consumidores transferem energia para os decompositores. — Figura$\PageIndex{e}$: Em última análise, a maioria das formas de vida obtém sua energia do sol. Este fluxograma mostra a energia do sol sendo capturada por produtores, como plantas, por meio da fotossíntese. A energia é transferida para os consumidores dos produtores, como animais. A energia pode ser obtida diretamente dos produtores (herbívoros comem plantas) ou indiretamente (carnívoros comem herbívoros). Os decompositores eventualmente decompõem organismos mortos, incluindo material vegetal e animal, e contribuem para o reservatório de nutrientes. Fungos e bactérias são decompositores e vermes são detritívoros (não mostrados). Durante cada transferência de energia, parte da energia do sistema é perdida como calor.

Os consumidores podem ser classificados com base no fato de comerem material animal ou vegetal (figura$\PageIndex{f}$). Os consumidores que se alimentam exclusivamente de animais são chamados de carnívoros. Leões, tigres, cobras, tubarões, estrelas marinhas, aranhas e joaninhas são todos carnívoros. Os herbívoros são consumidores que se alimentam exclusivamente de material vegetal, e os exemplos incluem veados, coalas, algumas espécies de pássaros, grilos e lagartas. Os herbívoros podem ser ainda classificados em frugívoros (comedores de frutas), granívoros (comedores de sementes), nectívoros (alimentadores de néctar) e folívoros (comedores de folhas). Consumidores que comem material vegetal e animal são considerados onívoros. Humanos, ursos, galinhas, baratas e lagostins são exemplos de onívoros.

Uma colagem de um leão, joaninha, veado-mula, urso e lagostim — Figura$\PageIndex{f}$: Carnívoros como o leão (canto superior esquerdo) comem principalmente carne. A joaninha (canto inferior esquerdo) também é uma carnívora que consome pequenos insetos chamados pulgões. Herbívoros, como o veado-mula (médio), comem principalmente material vegetal. Onívoros como o urso (canto superior direito) e o lagostim (canto inferior direito) comem alimentos vegetais e animais. Leão de Kevin Pluck; joaninha de Jon Sullivan; veado-mula de Bill Ebbesen; urso de Dave Menke; lagostim de Jon Sullivan. Tudo da OpenStax (CC-BY). Acesse gratuitamente em openstax.org.

Produtores e consumidores mortos são consumidos por detritívoros (que ingerem tecidos mortos) e decompositores (que decompõem ainda mais esses tecidos em moléculas simples ao secretar enzimas digestivas). Animais invertebrados, como vermes e milípedes, são exemplos de detritívoros, enquanto fungos e certas bactérias são exemplos de decompositores.

Cadeias alimentares

Uma cadeia alimentar é uma sequência linear de organismos através da qual os nutrientes e a energia passam à medida que um organismo come outro. Cada organismo em uma cadeia alimentar ocupa um nível trófico específico (nível de energia), sua posição na cadeia alimentar. O primeiro nível trófico na cadeia alimentar são os produtores. Os principais consumidores (os herbívoros que comem produtores) são o segundo nível trófico. Em seguida, estão os consumidores de nível superior. Consumidores de nível superior incluem consumidores secundários (terceiro nível trófico), que geralmente são carnívoros que comem os consumidores primários, e consumidores terciários (quarto nível trófico), que são carnívoros que comem outros carnívoros. Na cadeia alimentar do Lago Ontário, mostrada na figura$\PageIndex{g}$, o salmão Chinook é o principal consumidor no topo dessa cadeia alimentar. Algumas comunidades têm níveis tróficos adicionais (consumidores quaternários, consumidores de quinta ordem, etc.). Finalmente, detritívoros e decompositores decompõem organismos mortos e em decomposição de qualquer nível trófico. Há um único caminho através de uma cadeia alimentar.

Essa cadeia alimentar ilustra os níveis tróficos no Lago Ontário, do produtor ao consumidor terciário. — Figura$\PageIndex{g}$: Estes são os níveis tróficos de uma cadeia alimentar no Lago Ontário, na fronteira dos Estados Unidos com o Canadá. A energia e os nutrientes fluem das algas verdes fotossintéticas (produtoras) na base para os principais consumidores, que são moluscos ou caracóis. Os consumidores secundários são peixes pequenos chamados sculpin viscoso. O consumidor terciário e principal é o salmão Chinook. Detritívoros e decompositores não são mostrados. (crédito: modificação do trabalho da Administração Nacional Oceânica e Atmosférica/NOAA)

Um fator importante que limita o número de etapas em uma cadeia alimentar é a energia. Apenas cerca de 10% da energia em um nível trófico é transferida para o próximo nível trófico. Isso ocorre porque muita energia é perdida como calor durante as transferências entre os níveis tróficos ou para decompositores devido à segunda lei da termodinâmica. Assim, após quatro a seis transferências de energia trófica, a quantidade de energia restante na cadeia alimentar pode não ser grande o suficiente para sustentar populações viáveis em níveis tróficos mais altos (veja também Produtividade Comunitária e Eficiência de Transferência).

Certas toxinas ambientais podem se tornar mais concentradas à medida que sobem na cadeia alimentar, com as maiores concentrações ocorrendo nos principais consumidores, um processo chamado biomagnificação. Essencialmente, um grande consumidor ingere todas as toxinas que haviam se acumulado anteriormente nos corpos dos organismos nos níveis tróficos mais baixos. Isso explica por que comer frequentemente certos peixes, como atum ou peixe-espada, aumenta sua exposição ao mercúrio, um metal pesado tóxico.

Teias alimentares

Embora as cadeias alimentares sejam simples e fáceis de analisar, há um problema ao usar cadeias alimentares para descrever a maioria das comunidades. Mesmo quando todos os organismos estão agrupados em níveis tróficos apropriados, alguns desses organismos podem se alimentar em mais de um nível trófico. Além disso, as espécies se alimentam e são consumidas por mais de uma espécie. Em outras palavras, o modelo linear de interações tróficas, a cadeia alimentar, é uma representação hipotética e excessivamente simplista da estrutura da comunidade. Um modelo holístico — que inclui todas as interações entre diferentes espécies e suas complexas relações interconectadas entre si e com o meio ambiente — é um modelo mais preciso e descritivo. Uma teia alimentar é um conceito que explica as múltiplas interações tróficas entre cada espécie (figura$\PageIndex{h}$ e i).

Uma rede alimentar terrestre com produtores primários (plantas), detritívoros e decompositores e vários níveis de consumo. — Figura$\PageIndex{h}$: Esta teia alimentar mostra as interações entre organismos em todos os níveis tróficos. As setas apontam de um organismo que é consumido para o organismo que o consome e representam transferência de energia. Os produtores (plantas) captam energia do sol. O nível acima dos produtores mostra os principais consumidores que comem os produtores. Alguns exemplos são esquilos, camundongos, pássaros que comem sementes e besouros. Aranhas e centopéias comem besouros. Os tordos comem besouros, aranhas e centopéias, e os sapos comem besouros e centopéias. As raposas comem esquilos e camundongos; as corujas comem esquilos, camundongos, pássaros que comem sementes e tordos; e as cobras comem ratos, pássaros que comem sementes, tordos, centopéias e sapos. Alguns consumidores estão entre os níveis tróficos porque comem uma combinação de consumidores primários, secundários e/ou terciários. Todos os produtores e consumidores acabam se tornando alimento para os decompositores (cogumelos, mofo e bactérias) e detritívoros (minhocas) do solo, que estão representados na parte inferior da ilustração. (crédito “fox”: modificação da obra de Kevin Bacher, NPS; crédito “coruja”: modificação da obra de John e Karen Hollingsworth, USFWS; crédito “cobra”: modificação da obra de Steve Jurvetson; crédito “robin”: modificação da obra de Alan Vernon; crédito “sapo”: modificação da obra de Alessandro Catenazzi; crédito” spider”: modificação da obra por “Sanba38″ /Wikimedia Commons; crédito “centopeia”: modificação da obra por “Bauerph” /Wikimedia Commons; crédito “esquilo”: modificação da obra de Dawn Huczek; crédito “mouse”: modificação da obra de NIGMS, NIH; crédito “pardal”: modificação da obra de David Friel; crédito “besouro””: modificação do trabalho de Scott Bauer, Serviço de Pesquisa Agrícola do USDA; crédito “cogumelos”: modificação do trabalho de Chris Wee; crédito “molde”: modificação do trabalho da Dra. Lucille Georg, CDC; crédito “minhoca”: modificação do trabalho de Rob Hille; crédito “bactéria”: modificação do trabalho de Don Stalons, CDC)

Essa teia alimentar mostra várias flechas indo e vindo dos consumidores, indicando que cada um come ou é comido por várias espécies. — Figura$\PageIndex{i}$: Nessa cadeia alimentar, cada organismo pode ter várias fontes de alimento ou ser consumido por várias espécies. O fitoplâncton é o principal produtor. Eles são consumidos por lanças de areia, krill e zooplâncton. As lanças de areia são consumidas por papagaios-do-mar, gatinhos e cefalópodes. O krill é consumido pela lança de areia, cefalópodes, tortas e salmão. O zooplâncton é consumido pela lança de areia, krill, auklets e salmão. Os papagaios-do-mar são comidos por ratos e gaivotas. Os gatinhos são comidos por ratos, raposas e gaivotas. Os cefalópodes são consumidos por papagaios-do-mar e gaivotas. As auklets são consumidas por gaivotas e raposas. O salmão é consumido por cefalópodes e gaivotas. Os ratos são consumidos por raposas e gaivotas. As gaivotas são consumidas pelas raposas. Detritívoros e decompositores não são mostrados. Imagem de Mariana Ruiz Villarreal (LadyOfHats) para a Fundação CK-12 (CC-BY-NC).

O nível trófico de cada espécie em uma cadeia alimentar não é necessariamente um número inteiro. Na figura$\PageIndex{i}$, o fitoplâncton é o principal produtor (nível trófico 1). O zooplâncton só se alimenta de fitoplâncton, tornando-o consumidor primário (nível trófico 2). Determinar o nível trófico das outras espécies é mais complexo. Por exemplo, o krill come tanto fitoplâncton quanto zooplâncton. Se o krill comesse apenas fitoplâncton, eles seriam consumidores primários (nível trófico 2). Se eles comessem apenas zooplâncton, seriam consumidores secundários (nível trófico 3). Como o krill consome os dois, seu nível trófico é 2,5.

Produtividade comunitária e eficiência de transferência

A taxa na qual os produtores fotossintéticos incorporam energia do sol é chamada de produtividade primária bruta. Em um pântano de taboa, as plantas retêm apenas 2,2% da energia do sol que chega até elas. Três por cento da energia é refletida e outros 94,8% são usados para aquecer e evaporar a água dentro e ao redor da planta. No entanto, nem toda a energia incorporada pelos produtores está disponível para os outros organismos na cadeia alimentar porque os produtores também devem crescer e se reproduzir, o que consome energia. Pelo menos metade dos 2,2% capturados pelas plantas do pântano de taboa é usada para atender às necessidades de energia da própria usina.

A produtividade primária líquida é a energia que permanece nos produtores após contabilizar as necessidades metabólicas dos produtores e a perda de calor. A produtividade líquida está então disponível para os consumidores primários no próximo nível trófico. Uma forma de medir a produtividade primária líquida é coletar e pesar o material vegetal produzido em um m ² (cerca de 10,7 pés ²) de terra em um determinado intervalo. Um grama de material vegetal (por exemplo, caules e folhas), que é em grande parte a celulose de carboidratos, produz cerca de 4,25 kcal de energia quando queimado. A produtividade primária líquida pode variar de 500 kcal/m ^2/ano no deserto a 15.000 kcal/m ^2/ano em uma floresta tropical.

Em uma comunidade aquática em Silver Springs, Flórida, a produtividade primária bruta (energia total acumulada pelos produtores primários) foi de 20.810 kcal/m ^2/ano (figura$\PageIndex{j}$). A produtividade primária líquida (energia disponível para os consumidores) foi de apenas 7.632 kcal/m ^2/ano após contabilizar a perda de energia como calor e energia necessários para atender às necessidades metabólicas do produtor.

Figura$\PageIndex{j}$: O fluxo de energia através de um ecossistema de primavera em Silver Springs, Flórida. A produtividade bruta (azul) para cada nível trófico está listada logo acima da produtividade líquida (vermelha). Observe que a energia diminui a cada aumento no nível trófico. O conteúdo energético dos produtores primários (produtividade bruta) é de 20.810 kcal/m ² /ano. A produtividade bruta dos consumidores primários é muito menor, cerca de 3.368 kcal/m ² /ano. A produtividade bruta dos consumidores secundários é de 383 kcal/m ² /ano, e a produtividade bruta dos consumidores terciários é de apenas 21 kcal/m ² /ano. A produtividade líquida de cada nível trófico é menor do que a produtividade bruta porque parte da energia é usada para atender às necessidades metabólicas (respiração) e parte da energia é perdida como calor. Por exemplo, a produtividade líquida dos consumidores primários foi de 1.103 kcal/m ² /ano, apenas cerca de um terço da produtividade bruta. Parte da energia em cada nível trófico (um total de 5.060 kcal/m ^2/ano) é transferida para os decompositores. Toda a energia inicialmente captada pelos produtores primários (20.810 kcal/m ^2/ano) é finalmente liberada do sistema.

Fluxograma da produtividade bruta e líquida de cada nível trófico. A quantidade de energia disponível para uso diminui a cada nível trófico. — Figura$\PageIndex{j}$: O fluxo de energia através de um ecossistema de primavera em Silver Springs, Flórida. A produtividade bruta (azul) para cada nível trófico está listada logo acima da produtividade líquida (vermelha). Observe que a energia diminui a cada aumento no nível trófico. O conteúdo energético dos produtores primários (produtividade bruta) é de 20.810 kcal/m ² /ano. A produtividade bruta dos consumidores primários é muito menor, cerca de 3.368 kcal/m ² /ano. A produtividade bruta dos consumidores secundários é de 383 kcal/m ² /ano, e a produtividade bruta dos consumidores terciários é de apenas 21 kcal/m ² /ano. A produtividade líquida de cada nível trófico é menor do que a produtividade bruta porque parte da energia é usada para atender às necessidades metabólicas (respiração) e parte da energia é perdida como calor. Por exemplo, a produtividade líquida dos consumidores primários foi de 1.103 kcal/m ² /ano, apenas cerca de um terço da produtividade bruta. Parte da energia em cada nível trófico (um total de 5.060 kcal/m ^2/ano) é transferida para os decompositores. Toda a energia inicialmente captada pelos produtores primários (20.810 kcal/m ^2/ano) é finalmente liberada do sistema.

Apenas uma fração da energia captada por um nível trófico é assimilada à biomassa, o que a torna disponível para o próximo nível trófico. A assimilação é a biomassa do nível trófico atual após contabilizar a energia perdida devido à ingestão incompleta de alimentos, energia usada para conduzir o trabalho nesse nível trófico e energia perdida como resíduo. A ingestão incompleta se refere ao fato de alguns consumidores comerem apenas uma parte de seus alimentos. Por exemplo, quando um leão mata um antílope, ele come de tudo, exceto a pele e os ossos. O leão não tem a medula óssea rica em energia dentro do osso, então o leão não faz uso de todas as calorias que sua presa pode fornecer. Em Silver Springs, apenas 1103 kcal/m ^2/ano dos 7618 kcal/m ^2/ano de energia disponível para consumidores primários foram assimilados em sua biomassa. (A eficiência de transferência do nível trófico entre os dois primeiros níveis tróficos foi de aproximadamente 14,8 por cento.)

A fonte de calor de um animal influencia suas necessidades energéticas. Os ectotérmicos, como invertebrados, peixes, anfíbios e répteis, dependem de fontes externas para o calor corporal, e os endotérmicos, como pássaros e mamíferos, dependem do calor gerado internamente. Geralmente, os ectotérmicos requerem menos energia para atender às suas necessidades metabólicas e do que os endotérmicos e, portanto, muitos endotérmicos precisam comer com mais frequência do que os ectotérmicos.

A ineficiência do uso de energia pelos endotermas tem amplas implicações para o suprimento mundial de alimentos. É amplamente aceito que a indústria da carne usa grandes quantidades de safras para alimentar o gado e, como uma baixa porcentagem disso é assimilada à biomassa, grande parte da energia da alimentação animal é perdida. Por exemplo, custa cerca de 1 centavo para produzir 1000 calorias dietéticas (kcal) de milho ou soja, mas aproximadamente $0,19 para produzir um número similar de calorias cultivando gado para consumo de carne bovina. O mesmo conteúdo energético do leite do gado também é caro, em aproximadamente $0,16 por 1000 kcal. Assim, tem havido um movimento crescente em todo o mundo para promover o consumo de alimentos não cárneos e não lácteos, para que menos energia seja desperdiçada alimentando animais para a indústria de carnes.

Atribuição

Modificado por Melissa Ha a partir das seguintes fontes:

Energia, energia entra nos ecossistemas por meio da fotossíntese e fluxo de energia através de ecossistemas da biologia ambiental por Matthew R. Fisher (licenciado sob CC-BY)
Ecologia de ecossistemas, fluxo de energia através de ecossistemas e sistemas digestivos da General Biology/Biology 2e da OpenStax (licenciado sob CC-BY). Acesse gratuitamente em openstax.org.
Produtividade do ecossistema a partir da biologia por John W. Kimball (licenciado sob CC-BY)