VIDA: FLUXO DE MATÉRIA E ENERGIA

Sol

Desde a revolução agrícola, iniciada há cerca de 12 mil anos, muitas culturas passaram a acompanhar o ciclo solar e sua influência na Terra e nas plantações. Construções foram elaboradas para demarcar com precisão, por exemplo, a posição aparente do Sol no céu e a mudança de estações. Por exemplo, no município de Calçoene, estado do Amapá, há um monumento de rochas, construído por indígenas que habitavam a região. Há mais de mil anos essa estrutura favorecia a observação do solstício de inverno, fenômeno que marca o início dessa estação e das chuvas na região.

Professor, professora: Ao citar o solstício de inverno, se considerar pertinente, explique aos estudantes do que se trata esse fenômeno. Mais informações nas Orientações para o professor.

Conforme estudado anteriormente, o Sol é essencial para a vida na Terra, mas não é o único fator importante para as formas de vida. A seguir, estudaremos como os seres vivos podem utilizar a energia solar para atividades celulares, crescimento e desenvolvimento e sua atuação como sistemas biológicos transformadores de energia.

Seres vivos como transformadores de energia

Para iniciarmos o estudo dos seres vivos como transformadores de energia, responda às questões a seguir.

Em nosso dia a dia, usamos o termo energia para nos referir a diferentes situações. Provavelmente, você o associa à eletricidade ou à lâmpada elétrica, que ilumina artificialmente os ambientes. Isso está correto, mas a energia está presente em diversas outras situações, inclusive nas que envolvem os seres vivos.

Para um ser vivo crescer, desenvolver-se, reproduzir-se e executar diferentes movimentos, como caminhar, correr, voar e nadar, é necessário que haja energia e suas transformações.

Existem diferentes tipos de energia, como a luminosa, a química, a cinética, a mecânica e a térmica. Tais energias são constantemente transformadas no ambiente e nos seres vivos, não podendo ser criadas nem destruídas.

A.

B.

As transformações de energia que ocorrem nos seres vivos envolvem diferentes processos energéticos. A seguir, estudaremos esse assunto.

Processos energéticos nos seres vivos

A respiração celular é um dos processos de transformação energética que ocorre nas células dos seres vivos, como animais e plantas, na presença de gás oxigênio. Esse processo resulta na transferência da energia contida nas ligações químicas das moléculas orgânicas para ligações químicas de moléculas de adenosina trifosfato (ATP). Essa transferência de energia também ocorre em alguns fungos e bactérias, sem necessidade de gás oxigênio, em um processo chamado fermentação.

As transformações de energia que ocorrem nos seres vivos compõem o metabolismo, que pode ser dividido em anabolismo e catabolismo. De modo geral, no primeiro, as reações químicas produzem moléculas complexas com base em moléculas simples, absorvendo energia. Já no segundo, as reações químicas decompõem moléculas mais complexas em moléculas mais simples, liberando energia.

A transferência de energia que ocorre nas reações metabólicas é altamente organizada e regulada pelas células. Esse controle é exercido principalmente por enzimas e coenzimas^✚, que determinam a quantidade necessária de energia a ser utilizada em cada processo. A energia química liberada na degradação de moléculas da glicose, por exemplo, é armazenada temporariamente em moléculas carreadoras, as quais apresentam ligações químicas ricas em energia e podem ser transportadas rapidamente pela célula, transferindo sua energia para as reações químicas.

Entre as moléculas que participam dos processos energéticos nos seres vivos, podemos citar: ATP (adenosina trifosfato), ADP (adenosina difosfato), FAD (flavina-adenina-dinucleotídeo) e NAD (nicotinamida-adenina-dinucleotídeo).

A ATP é uma das principais moléculas carreadoras das células. Sua estrutura contém uma base nitrogenada (adenina) ligada a um monossacarídeo (ribose), que se une a três grupos fosfato.

Quando ocorre o rompimento da ligação de um dos grupos fosfato do ATP, há a liberação de energia, formando ADP e um íon dihidrogenofosfato abre parênteses H subscrito 2 P O subscrito 4 elevado a início expoente, 2 menos, fim expoente fecha parênteses$\left({\text{H}}_2{{\text{PO}}_4}^{2-}\right)$ ou fosfato inorgânico abre parênteses P i fecha parênteses$\left(\text{Pi}\right)$.

Já na formação de ATP, um grupo fosfato se liga ao grupo fosfato da molécula de ADP, por meio de reações químicas que envolvem absorção de energia. Acompanhe a seguir.

Imagens elaboradas com base em: RAVEN, Peter H.; EVERT, Ray F.; EICHHORN, Susan E. Biologia vegetal. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2001. p. 103-104.

Professor, professora: Ao abordar a transformação de ATP em ADP, e vice-versa, explique aos estudantes que Pi é a abreviatura para a representação do íon fosfato inorgânico e P é a representação do grupo fosfato.

Outra maneira de obter energia no organismo é por meio do transporte de elétron. Em algumas reações químicas, as substâncias podem perder ou ganhar elétrons.

Moléculas como a glicose, ricas em energia, são metabolizadas por meio de uma série de reações químicas de oxidação. As moléculas intermediárias dessas reações químicas doam elétrons para coenzimas específicas. Entre as coenzimas mais importantes estão N A D sobrescrito mais${\text{NAD}}^{+}$, N A D P sobrescrito mais${\text{NADP}}^{+}$ (fosfato-de-nicotinamida-adenina-dinucleotídeo) e F A D$\text{FAD}$.

Enquanto N A D$\text{NAD}$ e F A D$\text{FAD}$ estão, geralmente, envolvidos em reações de catabolismo, como a fermentação e a respiração, o N A D P$\text{NADP}$ participa de reações de anabolismo, como fotossíntese e quimiossíntese.

Quando uma molécula de hidrogênio é acoplada ao N A D$\text{NAD}$, F A D$\text{FAD}$ ou N A D P$\text{NADP}$, essas coenzimas deixam sua forma natural oxidada e passam a se apresentar na forma reduzida: N A D H$\text{NADH}$, F A D H subscrito 2${\text{FADH}}_2$ e N A D P H$\text{NADPH}$. Confira o quadro "Oxirredução" que apresenta as formas reduzidas e oxidadas de algumas moléculas.

Fotossíntese

A fotossíntese é o processo biológico que possibilita o aproveitamento direto ou indireto da energia da luz solar pelos seres vivos. Além disso, ela interfere na composição da atmosfera terrestre e foi essencial para o surgimento dos organismos aeróbios há bilhões de anos.

Esse processo é realizado por seres vivos fotoautotróficos, como algumas bactérias, algas e a maioria das plantas. Eles utilizam a energia da luz solar e de moléculas inorgânicas, como água abre parênteses H subscrito 2 O fecha parênteses$\left({\text{H}}_2\text{O}\right)$ e gás carbônico abre parênteses CO subscrito 2 fecha parênteses$\left({\text{CO}}_2\right)$, para produzir moléculas orgânicas – os açúcares, em sua maioria trioses, ou seja, carboidratos de três carbonos. Apesar disso, essas trioses podem ser utilizadas para produzir a glicose abre parênteses C subscrito 6 H subscrito 12 O subscrito 6 fecha parênteses$\left({\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6\right)$, que, normalmente, é um produto da reação de fotossíntese.

Confira a seguir a equação química simplificada da fotossíntese.

6 C O subscrito 2 mais 6 H subscrito 2 O expressão com detalhe acima, início da expressão, seta para a direita, fim da expressão, início do detalhe acima, energia luminosa, fim do detalhe acima C subscrito 6 H subscrito 12 O subscrito 6 mais 6 O subscrito 2$6{\text{CO}}_2+6{\text{H}}_2\text{O}\stackrel{\text{energia luminosa}}{\to }{\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6+6{\text{O}}_2$

Na fotossíntese, a molécula de água perde dois átomos de hidrogênio e dois elétrons, oxidando-se e formando uma molécula de gás oxigênio. Os átomos de hidrogênio são incorporados à molécula de gás carbônico por meio de uma reação de redução, transformando-se em um carboidrato.

Em uma reação química, os reagentes combinam-se entre si para formar os produtos. A reação química pode ser expressa por uma equação. No caso da equação química simplificada da fotossíntese, CO subscrito 2${\text{CO}}_2$ e H subscrito 2 O${\text{H}}_2\text{O}$ são os reagentes, enquanto C subscrito 6 H subscrito 12 O subscrito 6${\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6$ e O subscrito 2${\text{O}}_2$ são os produtos.

Nessa equação, além da fixação do carbono, que resulta na produção da glicose (açúcar), há liberação de gás oxigênio. Por isso, a fotossíntese não só possibilita a formação de moléculas orgânicas, utilizadas principalmente como fonte de energia pelos seres vivos, mas também interfere na composição atmosférica, disponibilizando o gás necessário à respiração dos seres vivos aeróbios e removendo parte do gás carbônico, que, em alta concentração, pode ser tóxico para diversos seres vivos.

Nos organismos eucarióticos, como plantas e algas, a fotossíntese ocorre no interior de organelas chamadas cloroplastos, que apresentam dupla membrana externa e um sistema interno de membranas. Em seu interior, há estruturas com formato de discos, os tilacoides, dispostas em pilhas, cada uma delas chamada de granum. A região que circunda os tilacoides, limitada pela membrana interna, é chamada estroma, onde ocorre parte do processo fotossintético e estão DNA, RNA, ribossomos e enzimas. Confira a seguir.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Imagem elaborada com base em: RAVEN, Peter H.; EVERT, Ray F.; EICHHORN, Susan E. Biologia vegetal. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2001. p. 132.

A clorofila se localiza no sistema interno de membranas dos cloroplastos com pigmentos acessórios, como carotenoides e ficobilinas, que auxiliam a clorofila na captação da energia da luz solar.

Etapas da fotossíntese

A fotossíntese envolve duas etapas: fotoquímica e química, que estudaremos a seguir.

A etapa fotoquímica é também chamada de fase clara, pois as reações químicas dependem diretamente da luz e ocorrem nas membranas dos tilacoides, com a participação de pigmentos fotossintéticos e enzimas. Além disso, há a conversão da energia luminosa em energia química, com a consequente formação de ATP e de um transportador de elétrons reduzido (N A D P H$\text{NADPH}$). Essa etapa depende de dois processos: a fotólise da água e a fotofosforilação.

Inicialmente, a energia luminosa é transferida para a molécula de clorofila e, ao mesmo tempo, ocorre a fotólise da água, ou seja, a quebra dessa molécula por ação da luz. Essa reação química promove a liberação de gás oxigênio, átomos de hidrogênio e elétrons abre parênteses e menos fecha parênteses$\left({\text{e}}^{\_}\right)$.

2 H subscrito 2 O seta para a direita 4 e sobrescrito menos mais 4 H sobrescrito mais, mais O subscrito 2$2{\text{ H}}_2\text{O}\to 4{\text{ e}}^{-}+{4\text{ H}}^{+}+{\text{O}}_2$

Os elétrons liberados na fotólise são capturados por moléculas de N A D P sobrescrito mais${\text{NADP}}^{+}$, produzindo N A D P H$\text{NADPH}$. Já os átomos de hidrogênio e a energia captada da luz solar propiciam condições para que a enzima ATP-sintase realize a fosforilação, na qual uma molécula de ADP se liga a um grupamento fosfato, formando ATP. Assim, na etapa fotoquímica, ocorre a formação de ATP e N A D P H$\text{NADPH}$.

A etapa química é também conhecida como fase escura, pois não depende diretamente da luz. Acontece no estroma do cloroplasto, onde ocorre a fixação de carbono e a consequente formação de carboidrato. Para isso, ATP e NADPH, formados na etapa fotoquímica, são utilizados para fixar e reduzir o carbono presente no gás carbônico, bem como para sintetizar carboidratos, como sacarose abre parênteses C subscrito 12 H subscrito 22 O subscrito 11 fecha parênteses$\left({\text{C}}_{12}{\text{H}}_{22}{\text{O}}_{11}\right)$ e amido.

A sequência de reações químicas que ocorre nessa etapa recebe o nome de ciclo das pentoses ou ciclo de Calvin-Benson, em homenagem aos bioquímicos estadunidenses Melvin Calvin (1911-1997) e Andrew Benson (1917-2015), pesquisadores que elucidaram tais reações químicas.

Imagens sem proporção e em cores fantasia.

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Imagens elaboradas com base em: RAVEN, Peter H.; EVERT, Ray F.; EICHHORN, Susan E. Biologia vegetal. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2001. p. 132.

Luz e clorofila

Para iniciarmos nosso estudo sobre a relação entre luz e clorofila, responda à questão a seguir.

A luz branca (visível) é um tipo de radiação eletromagnética composta de diversos comprimentos de onda, que, quando decompostos, originam as cores do arco-íris. Isso ocorre porque toda cor tem um comprimento de onda específico e se desloca de maneira diferente no meio causando a decomposição da luz.

Para o ser humano, a luz visível tem comprimento de onda entre 750 e 380 nanômetros.

Imagem elaborada com base em: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de física: óptica e física moderna. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. v. 4. p. 2.

Agora, confira o gráfico a seguir.

Espectro de absorção da clorofila

6. O que você pode dizer em relação à absorção dos diferentes comprimentos de onda pela clorofila?

Resposta: A clorofila absorve, principalmente, os comprimentos de onda referentes ao azul/violeta e ao vermelho.

A clorofila é capaz de absorver comprimentos de onda, principalmente na faixa do azul/violeta e do vermelho. Os comprimentos de onda que se referem, principalmente, à cor verde são refletidos pela clorofila, por isso enxergamos essa cor. Geralmente, a clorofila se concentra nas folhas ou em partes mais jovens da planta, motivo pelo qual identificamos a cor verde principalmente nessas partes.

Fonte de pesquisa: RAVEN, Peter H.; EVERT, Ray F.; EICHHORN, Susan E. Biologia vegetal. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2001. p. 129.

Agora, vamos analisar outro gráfico que envolve intensidade luminosa e fotossíntese.

Variação da taxa fotossintética em função da intensidade luminosa

7. O que podemos dizer a respeito da influência da intensidade luminosa na fotossíntese?

Resposta: A taxa fotossintética aumenta conforme o aumento da intensidade luminosa. Isso ocorre até certo ponto, quando essa taxa se torna relativamente constante.

Como é possível reconhecer no gráfico, a intensidade luminosa interfere na taxa fotossintética. Além desse fator, a quantidade de gás carbônico e a temperatura também influenciam na fotossíntese.

Fonte de pesquisa: PAULILO, Maria Terezinha; VIANA, Ana Maria; RANDI, Áurea Maria. Fisiologia vegetal. Florianópolis: Universidade Federal de Santa Catarina, 2015. p. 93.

Quanto maior a intensidade luminosa, maior a taxa fotossintética. No entanto, esse aumento progressivo ocorre até certo limite, o chamado ponto de saturação da luz, que representa a intensidade luminosa em que a fotossíntese é máxima e na qual o aumento na intensidade de luz solar não implica aumento da taxa fotossintética. Em relação ao gás carbônico, a interferência é semelhante.

O ponto de saturação da luz varia entre as diferentes espécies de plantas, sendo mais baixo naquelas que vivem em ambientes sombreados (plantas de sombra) do que nas de ambientes ensolarados (plantas de sol). Já o aumento da temperatura eleva progressivamente a fotossíntese até determinado limite, acima do qual as taxas fotossintéticas voltam a decrescer.

Respiração celular

Para iniciarmos o estudo da respiração celular, responda às questões a seguir.

A energia da luz solar, absorvida durante a fotossíntese, é armazenada nas células vegetais na forma de amido. Para que essa energia seja liberada, o carboidrato deve passar por uma série de transformações, que se iniciam pelo rompimento das ligações químicas do amido, resultando na liberação de moléculas de glicose.

As moléculas de glicose atravessam a membrana plasmática das células, onde serão transformadas por meio da respiração celular, resultando na liberação de energia. Esse processo ocorre na presença de gás oxigênio, sendo, portanto, uma reação química aeróbia.

A respiração celular pode ser resumida na equação química representada a seguir.

C subscrito 6 H subscrito 12 O subscrito 6 mais O subscrito 2 seta para a direita 6 C O subscrito 2 mais 6 H subscrito 2 O mais energia${\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6+{\text{O}}_2\to 6{\text{CO}}_2+6{\text{ H}}_2\text{O}+\text{energia}$

Na respiração celular, uma molécula de glicose é oxidada, resultando em seis moléculas de gás carbônico, seis moléculas de água e energia.

A respiração celular é dividida em três etapas: glicólise, ciclo do ácido cítrico e cadeia respiratória. Cada uma ocorre em porções diferentes da célula. A glicólise ocorre no citosol da célula; o ciclo do ácido cítrico, na matriz mitocondrial; e a cadeia respiratória, nas cristas mitocondriais.

Glicólise

A glicólise é caracterizada pela quebra da molécula de glicose. Trata-se de uma etapa anaeróbia da respiração celular, isto é, o gás oxigênio não é utilizado. Essa etapa também ocorre na fermentação.

No citosol, a glicose sofre uma sequência de reações químicas, nas quais uma molécula de glicose forma duas moléculas de piruvato, ou ácido pirúvico abre parênteses C subscrito 3 H subscrito 4 O subscrito 3 fecha parênteses$\left({\text{C}}_3{\text{H}}_4{\text{O}}_3\right)$. Ao longo da glicólise, duas moléculas de ATP são consumidas, enquanto quatro são produzidas. Além disso, duas moléculas de N A D sobrescrito mais${\text{NAD}}^{+}$são reduzidas à NADH e há liberação de duas moléculas de água e dois íons hidrogênio.

Imagens elaboradas com base em: RAVEN, Peter H.; EVERT, Ray F.; EICHHORN, Susan E. Biologia vegetal. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2001. p. 110-111.

O ciclo do ácido cítrico, também conhecido como ciclo de Krebs, é a via final de oxidação dos carboidratos, quando são convertidos em gás carbônico. Essa reação química fornece energia para a produção da maior parte de ATP.

O piruvato, proveniente da glicólise, atravessa as membranas da mitocôndria, atingindo sua matriz. Nessa porção da mitocôndria, o piruvato é oxidado a acetil-CoA (acetil coenzima A), uma molécula de dois carbonos que será incorporada ao intermediário oxaloacetato para ingressar efetivamente no ciclo de Krebs. Ao longo desse ciclo, a acetil-CoA é oxidada a uma molécula de oxaloacetato regenerada, possibilitando sua reutilização e caracterizando um ciclo. Elétrons de alta energia são transportados por moléculas carreadoras, como N A D H$\text{NADH}$ e F A D H subscrito 2${\text{FADH}}_2$.

Imagens elaboradas com base em: RAVEN, Peter H.; EVERT, Ray F.; EICHHORN, Susan E. Biologia vegetal. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2001. p. 110, 112, 118.

Durante a glicólise e o ciclo do ácido cítrico, parte da energia proveniente da quebra da glicose é utilizada na formação de moléculas de ATP, enquanto a outra encontra-se nos elétrons retirados dos átomos de carbono, acoplados nos carreadores N A D H$\text{NADH}$ e F A D H subscrito 2${\text{FADH}}_2$.

Na etapa da cadeia respiratória, também conhecida como fosforilação oxidativa, esses elétrons são transferidos para o oxigênio molecular por uma série de transportadores presentes nas membranas das cristas mitocondriais. Ao final do processo, tais elétrons se combinam a íons hidrogênio, formando água. Além disso, a passagem dos elétrons pelo complexo transportador gera as condições necessárias para a formação de moléculas de ATP.

Esse processo trata-se de uma via aeróbia, pois o gás oxigênio é o aceptor final dos elétrons.

Professor, professora: Na cadeia transportadora de elétrons há também outra estrutura proteica complexa presente na membrana interna da mitocôndria e que contém FAD. No entanto, ela não está representada nesta imagem, pois não faz parte da transferência de elétrons do N A D H$\text{NADH}$ para O subscrito 2${\text{O}}_2$.

Ao longo da respiração celular, moléculas de ATP são produzidas e, em alguns seres vivos, consumidas. A seguir, é apresentado o balanço energético desse processo.

O saldo energético da respiração celular nas células eucarióticas é de 36 moléculas de ATP, pois duas moléculas de ATP são utilizadas para transportar as duas moléculas de NADH, produzidas no citosol da mitocôndria durante a glicólise, para o interior da mitocôndria. Como nas células procarióticas não há mitocôndrias, não ocorre o gasto de duas moléculas de ATP, portanto o saldo da respiração celular é de 38 moléculas de ATP.

Kamala Sohonie e a descoberta do citocromo c

Citocromos são proteínas associadas às membranas plasmáticas e que apresentam átomos de ferro com capacidade de doar e receber elétrons. Um tipo específico de citocromo, chamado citocromo c, está presente na membrana mitocondrial interna e desempenha um importante papel na etapa da cadeia respiratória, auxiliando no transporte de elétrons na cadeia respiratória.

O citocromo c foi descoberto por volta de 1937 pela bioquímica indiana Kamala Sohonie (1911-1998), durante sua pesquisa de doutorado na Universidade de Cambridge, na Inglaterra. Ela foi a primeira cientista indiana a obter o título de doutora em uma disciplina científica, abrindo caminho para que outras mulheres pudessem ingressar na área.

Kamala também desenvolveu importantes estudos sobre a nutrição de crianças, além de ser a primeira mulher a ocupar o cargo de diretora no Royal Institute of Science, em Bombaim, Índia.

Fermentação

O gás oxigênio não está presente em todos os ambientes, tampouco é utilizado por todos os seres vivos, que obtêm a energia de que necessitam por meio da fermentação. Esse processo é realizado por seres vivos anaeróbios e pode ser uma alternativa para obtenção de energia pelos organismos aeróbios ou por alguns de seus tecidos em condições específicas, como na ausência ou baixa concentração de gás oxigênio.

A fermentação se inicia com a glicólise, resultando em piruvato e N A D H$\text{NADH}$, que não entram na mitocôndria. Na ausência de O subscrito 2${\text{O}}_2$, o N A D H$\text{NADH}$ se torna o aceptor final, sendo reoxidado para N A D sobrescrito mais${\text{NAD}}^{\text{+}}$. Quando isso ocorre, o piruvato é reduzido a ácido láctico ou lactato abre parênteses C subscrito 3 H subscrito 6 O subscrito 3 fecha parênteses$\left({\text{C}}_3{\text{H}}_6{\text{O}}_3\right)$, na chamada fermentação lática.

Queijos, iogurtes e outros derivados, como coalhadas, são exemplos de alimentos consumidos no nosso dia a dia que passam pelo processo de fermentação lática, por meio da ação de determinados fungos (leveduras) e bactérias. Com a liberação do ácido láctico, ocorre a desnaturação e a precipitação das proteínas do leite, formando o coalho, de consistência gelatinosa e característico desse tipo de alimento.

A fermentação lática também pode ocorrer em seres humanos, em condições específicas, como em atividades físicas exaustivas. A prática de atividades físicas é importante para a saúde do corpo humano e demanda alto consumo de energia, gerada durante a respiração celular. No entanto, se uma atividade física for muito exaustiva, o gás oxigênio pode ser insuficiente para a respiração celular. Com isso, as células passam a obter energia pela fermentação lática. Esse processo gera um acúmulo de ácido láctico nas células musculares, que, em excesso, provoca dores e incômodo.

Em leveduras e algumas células vegetais, há enzimas que removem CO subscrito 2${\text{CO}}_2$ do piruvato, reduzindo-o a acetaldeído abre parênteses C subscrito 2 H subscrito 4 O fecha parênteses$\left({\text{C}}_2{\text{H}}_4\text{O}\right)$. Este é reduzido pelo N A D H$\text{NADH}$, produzindo N A D sobrescrito mais${\text{NAD}}^{\text{+}}$ e etanol abre parênteses C subscrito 2 H subscrito 5 O H fecha parênteses$\left({\text{C}}_2{\text{H}}_5\text{OH}\right)$, na chamada fermentação alcoólica.

Imagens elaboradas com base em: PURVES, William K. et al. Vida: a ciência da biologia. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 2002. p. 129-130.

A produção de pães, bebidas alcoólicas e até mesmo do combustível etanol envolve o processo de fermentação alcoólica, também realizado por leveduras e bactérias.

Durante o preparo dos pães, por exemplo, os açúcares presentes na massa são utilizados pelas leveduras na fermentação alcoólica. Nesse processo, é liberado CO subscrito 2${\text{CO}}_2$, que faz a massa se encher de bolhas de ar e crescer. Quando a massa é assada, o etanol gerado evapora sem deixar sabor.

O saldo energético da fermentação é de dois ATP, tendo em vista que nesse processo a molécula de glicose não sofre oxidação total, apenas parcial.

Cadeia alimentar

Analise o cartum apresentado e responda às questões.

LUCAS, Ernani Diniz. Nani Humor, 6 out. 2015. Disponível em: https://s.livro.pro/nkiqtk. Acesso em: 26 ago. 2024.

Os seres vivos se relacionam uns com os outros e com o ambiente de diferentes maneiras e com diversas finalidades, como reprodução, abrigo, alimentação, território e proteção. A relação alimentar possibilita a esses seres obter e transferir matéria e energia entre os componentes bióticos e abióticos do ambiente.

Como estudamos anteriormente, os seres vivos necessitam de energia para crescerem e se desenvolverem, bem como realizar diversas atividades. Alguns seres vivos autotróficos obtêm a energia de que necessitam da luz solar, por meio da fotossíntese, enquanto os heterotróficos obtêm essa energia por meio da alimentação.

Todos os organismos, vivos ou mortos, são potenciais fontes de alimento, consequentemente de matéria e energia, para outros seres vivos. Assim, quando um ser vivo se alimenta de outro, há transferência tanto de matéria quanto de energia entre eles. No cartum apresentado, por exemplo, é possível identificar uma relação alimentar entre os peixes representados, em que um pode servir de alimento para o outro, em uma sequência de indivíduos. Essa sequência possibilita determinar como a matéria e a energia são transferidas de um organismo para o outro, sendo conhecida como cadeia alimentar.

O Sol é a principal fonte de energia inicial nas cadeias alimentares e é fixada pelos seres vivos fotoautotróficos. Tal energia pode ser transferida aos demais seres vivos sob a forma de energia química, armazenada em moléculas orgânicas. Dessa maneira, nas cadeias alimentares essa transferência ocorre dos seres vivos autotróficos aos demais membros dessa relação alimentar. Acompanhe o exemplo a seguir.

As plantas lenhosas fixam parte da energia da luz solar nos tecidos da madeira na forma de lignina e celulose. Esses materiais podem ser digeridos apenas por microrganismos presentes em certos animais, como os cupins. O tamanduá-bandeira se alimenta basicamente de cupins e formigas.

Cupim (R. flavipes): pode atingir aproximadamente 6 milímetros$6\text{ mm}$ de comprimento.

Tamanduá-bandeira (M. tridactyla): pode atingir aproximadamente 2 vírgula 2 metros$\mathrm{2,2}\text{ m}$ de comprimento.

Na cadeia alimentar, os seres vivos ocupam posições específicas que representam as etapas de transferência de matéria e energia. Essas posições são chamadas de níveis tróficos ou níveis alimentares. Dessa maneira, em uma cadeia alimentar, organismos de determinado nível trófico têm a mesma fonte principal de energia, nutrem-se de seres vivos do nível trófico anterior e são consumidos por organismos do nível trófico posterior.

As cadeias alimentares podem envolver quantidade variada de níveis tróficos e incluem, basicamente, três tipos de organismos: produtores, consumidores e decompositores.

Os produtores compõem o primeiro nível trófico das cadeias alimentares, pois atuam na produção da matéria orgânica. Nesse nível trófico estão incluídos os organismos autotróficos, como a maioria das plantas e o fitoplâncton, capazes de fixar energia luminosa na forma de energia química e transformar moléculas inorgânicas em orgânicas por meio da fotossíntese.

Em determinados ecossistemas, como nas fontes hidrotermais, as cadeias alimentares têm como base os organismos produtores quimiossintetizantes. Esses seres vivos utilizam determinadas moléculas inorgânicas como fonte inicial de energia. Riftia pachyptila, por exemplo, associa-se a bactérias sulfurosas capazes de produzir matéria orgânica pela oxidação do sulfeto de hidrogênio abre parênteses H subscrito 2 S fecha parênteses$\left({\text{H}}_2\text{S}\right)$, liberado pelas chaminés das fontes termais.

Verme (R. pachyptila): pode atingir aproximadamente 3 metros$3\text{ m}$ de comprimento.

Os consumidores são seres vivos heterotróficos, por isso obtêm dos produtores a energia necessária por meio da ingestão de produtores, de outros consumidores ou de restos orgânicos. Uma cadeia alimentar pode ter um ou vários consumidores, que, dependendo da posição que ocupam em relação aos produtores, podem ser considerados primários, secundários, terciários, e assim sucessivamente.

Professor, professora: Caso existam consumidores em níveis tróficos posteriores, eles serão classificados como consumidores quaternários, quinquenários, e assim sucessivamente.

Os organismos que obtêm matéria e energia diretamente dos produtores são chamados de consumidores primários ou herbívoros, ocupando o segundo nível trófico da cadeia alimentar. O veado-catingueiro (Mazama gouazoubira), por exemplo, é herbívoro e alimenta-se de gramíneas, frutos e flores.

Veado-catingueiro (M. gouazoubira): pode atingir aproximadamente 1 metro$1\text{ m}$ de comprimento.

Os seres vivos que se alimentam dos herbívoros são carnívoros ou consumidores secundários, ocupando o terceiro nível trófico. O jacaretinga (Caiman crocodilus), por exemplo, é carnívoro e se alimenta basicamente de peixes. Em determinadas situações, pode consumir filhotes de veado-catingueiro.

Jacaretinga (C. crocodilus): pode atingir aproximadamente 3 metros$3\text{ m}$ de comprimento.

Os consumidores secundários podem servir de fonte de matéria e energia a outros consumidores, conhecidos como terciários. A onça-pintada (Panthera onca), por exemplo, é um animal carnívoro e se alimenta de diversos outros animais, como veado-catingueiro e jacaretinga. Desse modo, ela pode atuar como consumidor secundário e terciário, respectivamente.

Onça-pintada (P. onca): pode atingir aproximadamente 1 vírgula 8 metro$\mathrm{1,8}\text{ m}$ de comprimento.

O último nível trófico das cadeias alimentares é ocupado pelos decompositores. Esses seres vivos são responsáveis pela decomposição da matéria orgânica, ou seja, por transformá-la em matéria inorgânica assimilável por outros seres vivos.

A decomposição é resultado da ação de determinados seres vivos, como algumas espécies de fungos, protistas heterotróficos e bactérias. Parte dos nutrientes liberada na decomposição da matéria orgânica permanece no organismo dos decompositores, enquanto o restante é disponibilizado no ambiente.

O tempo de decomposição depende das condições ambientais e da composição química da matéria orgânica. Gorduras, proteínas e açúcares, por exemplo, são prontamente decompostos, enquanto celulose, quitina, lignina e ossos são decompostos mais lentamente.

Os decompositores atuam em todos os níveis tróficos da cadeia alimentar, desempenhando papel fundamental no equilíbrio dos ecossistemas ao possibilitar a ciclagem da matéria. Dessa maneira, enquanto os organismos produtores fixam nutrientes, os decompositores os devolvem ao ambiente.

A ação dos decompositores pode estragar os alimentos, pois esse processo altera as características da matéria orgânica. Alimentos em decomposição têm odor, coloração, formato, textura e sabor alterados, ficando impróprios para o consumo humano.

Você já refletiu sobre como seria o planeta Terra caso não existissem os organismos decompositores? O que aconteceria com a matéria orgânica morta? Possivelmente, a Terra seria um amontoado de matéria orgânica acumulada até que os elementos químicos não estivessem mais disponíveis aos seres vivos autotróficos para transformá-los em matéria orgânica. Ou seja, a vida não conseguiria se manter e entraria em colapso.

Assim, os seres vivos decompositores possibilitam a manutenção da disponibilidade dos nutrientes no ambiente para serem utilizados por outros seres vivos. Após serem fixados por determinados organismos, os elementos químicos podem ser transferidos ao longo das cadeias alimentares, reiniciando o ciclo da matéria no ambiente.

Os detritívoros são um tipo específico de consumidor, muitas vezes confundidos com decompositores, por se alimentarem de matéria orgânica presente no ambiente. Diferentemente dos decompositores, esses seres vivos não liberam moléculas inorgânicas no ambiente, apenas transformam moléculas orgânicas complexas em moléculas orgânicas simples.

Durante a quebra da matéria orgânica, os detritívoros absorvem a energia e os nutrientes de que necessitam. As moléculas orgânicas liberadas por eles também sofrem a ação de organismos decompositores.

Minhoca (L. terrestris): pode atingir aproximadamente 25 centímetros$25\text{ cm}$ de comprimento.

As minhocas, por exemplo, são animais detritívoros. Esses invertebrados se alimentam de matéria orgânica, como restos vegetais, dejetos e matéria animal, que são ingeridos com o solo.

O processamento da matéria orgânica pelas minhocas é importante para a fertilização do solo. Após a digestão, o material orgânico liberado por elas ainda contém muitos nutrientes, que são devolvidos ao solo por ação de microrganismos decompositores.

As relações alimentares entre os seres vivos da cadeia alimentar podem ser representadas por setas, do organismo consumido ao organismo que o consome ou o decompõe. Acompanhe a seguir.

Professor, professora: Explique aos estudantes que a cadeia alimentar representada envolve organismos da bacia do Rio Paraná, no Brasil. Nela, são representadas as seguintes espécies, do consumidor primário ao quaternário: lambari (Astyanax scabripinnis), dourado (Salminus maxillosus), lontra (Lontra longicaudis) e jacaré-de-papo-amarelo (Caiman latirostris).

Imagem elaborada com base em: ODUM, Eugene P.; BARRETT, Gary W. Fundamentos de ecologia. 5. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011. p. 112, 425.

Fluxo de energia nos sistemas ecológicos

Como você estudou anteriormente, a matéria é cíclica, podendo ser transferida ao longo da cadeia alimentar entre os seres vivos e, posteriormente, devolvida ao ambiente por meio da decomposição. E quanto à energia inicialmente fixada pelos organismos autotróficos, ela também flui de maneira cíclica nos sistemas biológicos?

Professor, professora: Incentive os estudantes a responder à questão proposta no primeiro parágrafo do tema "Fluxo de energia nos sistemas ecológicos".

O cientista austríaco Alfred James Lotka (1880-1949) foi o primeiro estudioso a considerar as populações e as comunidades dos ecossistemas como sistemas transformadores de energia e relacioná-las às leis da termodinâmica. Em 1942, o ecólogo estadunidense Raymond Lindeman (1915-1942) desenvolveu o conceito de ecossistemas como sistemas transformadores de energia.

A energia luminosa, armazenada como energia química pelos seres vivos autotróficos, é parcialmente disponibilizada aos consumidores. Isso ocorre porque, assim como os demais seres vivos, os produtores utilizam parte da energia armazenada na matéria orgânica para a manutenção, o funcionamento e o desenvolvimento do organismo, por meio da respiração celular.

Além disso, sempre há perdas associadas à conversão de energia, como ocorre durante a respiração, em que parte da energia é dissipada como calor. A energia química não utilizada pela planta fica disponível ao nível trófico posterior, isto é, aos consumidores primários, quando estes se alimentam dos produtores.

Nas gimnospermas e angiospermas, o embrião em desenvolvimento utiliza os nutrientes presentes na semente. Após germinar, surgem raízes e folhas e estas passam a realizar fotossíntese, produzindo matéria orgânica. No caso do feijoeiro, por exemplo, depois que os cotilédones^✚ murcham e caem, a planta se torna um organismo autotrófico fotossintetizante.

Ao desenvolver a capacidade de realizar fotossíntese, as plantas podem armazenar certa quantidade de matéria orgânica em partes de seu corpo, como raízes, caules, frutos e sementes.

Imagem sem proporção.

Parte da energia adquirida pelos consumidores primários é utilizada na respiração celular, eliminada na forma de fezes e urina e liberada por dissipação de calor, por exemplo. A energia restante é armazenada nos tecidos, constituindo uma fonte de energia para os consumidores secundários.

Ao longo da cadeia alimentar, cada nível trófico armazena parte da energia obtida na forma de biomassa, de modo que apenas essa porção de energia esteja disponível ao nível trófico seguinte. Assim, em todos os níveis tróficos, apenas parte da energia obtida por meio da alimentação é disponibilizada para o nível trófico seguinte.

A transferência de energia ao longo da cadeia alimentar de um ecossistema é chamada de fluxo de energia e pode ser representada por meio de setas, com espessuras variadas, direcionadas ao consumidor. Essa espessura é diretamente proporcional à quantidade de energia disponibilizada para o próximo nível trófico.

À medida que se distancia do produtor, a quantidade de energia disponibilizada ao consumidor diminui.

A energia disponibilizada em cada nível trófico varia entre os organismos e ecossistemas. De maneira geral, os produtores disponibilizam maior quantidade de energia na cadeia alimentar (mais de 50% do que assimilam pela fotossíntese).

Entre os consumidores, geralmente 10% da energia adquirida pela alimentação é disponibilizada ao próximo nível trófico. Essa porcentagem de transferência de energia de um nível trófico a outro é chamada de eficiência ecológica.

Acompanhe o exemplo apresentado.

Imagem elaborada com base em: ODUM, Eugene P.; BARRETT, Gary W. Fundamentos de ecologia. 5. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011. p. 108, 123.

Ao analisar o esquema anterior podemos perceber que, diferentemente da matéria, o fluxo de energia nas cadeias alimentares é unidirecional, dos produtores em direção aos consumidores.

As cadeias alimentares não são unidades isoladas no ambiente, mas estão ligadas umas às outras formando conjuntos denominados teias alimentares. Isso é possível porque os organismos têm certa versatilidade alimentar, ou seja, podem utilizar diferentes recursos alimentares e, portanto, participar de diversas cadeias alimentares, ocupando níveis tróficos distintos.

As relações tróficas estabelecidas entre os seres vivos em uma teia alimentar também podem ser representadas por setas, como nas cadeias alimentares, por meio das quais é possível identificar produtores, consumidores e decompositores em determinado ecossistema.

Confira a seguir um exemplo de teia alimentar.

Imagem elaborada com base em: ODUM, Eugene P.; BARRETT, Gary W. Fundamentos de ecologia. 5. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011. p. 109.

SCARANO, Fabio Rubio (org.). Biomas brasileiros: retratos de um país plural. Rio de Janeiro: Casa da Palavra, 2012. p. 104, 109, 115, 124.

Professor, professora: A teia alimentar representada é do bioma Caatinga, com as seguintes espécies: onça-parda (Puma concolor); mocó (Kerodon rupestris); tatu-bola (Tolypeutis tricinctus); calango (Tropidurus semitaeniatus); acauã (Herptotheres cachinnans); cobra-cipó (Philodryas aestivus); rã (Pseudopaludicola pocoto); gambá-de-orelha-branca (Didelphis albiventris); teiú (Tupinambis merianae). Além destes, está representado um inseto (gafanhoto).

Nos sistemas naturais, as relações entre os seres vivos são muito mais complexas. Inúmeras espécies podem estar envolvidas em uma única cadeia, que pode se intercruzar de diferentes maneiras com inúmeras outras por meio de variadas relações entre os seres vivos. Essa complexidade pode ser observada no modelo de teia alimentar de um ecossistema aquático. Esse modelo foi elaborado pelo ecólogo Neo Martinez (1958 -), no Laboratório de Ecologia Computacional e Ecoinformática do Pacífico, nos Estados Unidos.

Pirâmides ecológicas

As pirâmides ecológicas são representações gráficas dos diferentes níveis tróficos de uma cadeia alimentar pelos quais a matéria e a energia são transferidas. Essas representações são formadas por barras sobrepostas, que podem representar a quantidade de indivíduos, de biomassa ou de energia nos diferentes níveis tróficos de uma cadeia alimentar. A altura das barras geralmente é constante, enquanto o comprimento varia proporcionalmente conforme o valor representado por elas.

A base das pirâmides ecológicas representa o primeiro nível trófico da cadeia alimentar, composta dos produtores. Já as camadas superiores correspondem aos níveis tróficos dos consumidores. Os decompositores não são representados nas pirâmides ecológicas. Com exceção da pirâmide de energia, as pirâmides ecológicas podem ser invertidas, dependendo da cadeia alimentar representada.

Pirâmide de energia

A pirâmide de energia foi idealizada por Raymond Lindeman e representa a quantidade de energia armazenada em cada nível trófico, na forma de matéria orgânica, por unidade de área abre parênteses m elevado ao quadrado fecha parênteses$\left({\text{m}}^2\right)$ ou volume abre parênteses m elevado ao cubo fecha parênteses$\left({\text{m}}^3\right)$ e em determinada unidade de tempo. Essa quantidade de energia é expressa em caloria abre parênteses caloria fecha parênteses$\left(\text{cal}\right)$, quilocaloria quilocaloria$\left(\text{kcal}\right)$ ou joule abre parênteses J fecha parênteses$\left(\text{J}\right)$.

A base dessa pirâmide é larga (A). Já as camadas superiores (B e C) são sucessivamente menores. A transferência de energia é unidirecional entre os níveis tróficos e parte dela é dissipada para o ambiente ou utilizada pelo ser vivo. Dessa maneira, quanto mais afastada estiver da base, menor será a quantidade de energia disponível ao próximo nível trófico.

O comprimento da base de uma pirâmide de energia é determinado pela chamada produtividade primária líquida (PPL), ou seja, pela quantidade de energia, sob a forma de matéria orgânica, que está disponível para o nível trófico seguinte. A PPL é determinada com base em outras taxas, como as abordadas a seguir.

A taxa em que um produtor converte energia solar em energia química na forma de biomassa, isto é, a quantidade de matéria orgânica que ele é capaz de produzir, é chamada de produtividade primária bruta (PPB).

Parte da energia contida na matéria orgânica é utilizada pelo próprio ser vivo na respiração celular (R), para se manter vivo, crescer e se reproduzir. Essa taxa inclui também a quantidade de energia dissipada para o ambiente na forma de calor. Ou seja, essa parte da energia não está disponível aos consumidores.

Assim, a quantidade de energia disponibilizada aos consumidores pode ser calculada da seguinte forma:

P P L é igual a P P B menos R$\text{PPL}=\text{PPB}–\text{R}$

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

A produção se refere tanto ao processo de formação de matéria orgânica pela fotossíntese, no caso dos autótrofos, quanto à incorporação da matéria orgânica, obtida pela alimentação, nos tecidos dos heterótrofos. O comprimento das barras dos consumidores pode ser determinado de modo semelhante:

em que:

• PPB representa a matéria orgânica fixada nos tecidos dos consumidores;
• R se refere à energia utilizada na respiração celular e dissipada no ambiente;
• PPL é a energia disponível ao próximo nível trófico.

A relação entre produtividade bruta e produtividade líquida pode variar entre diferentes ecossistemas e depende das taxas de uso e assimilação da energia pelos organismos. Essas taxas interferem diretamente na produção, isto é, na quantidade de matéria orgânica armazenada em cada nível trófico e que se torna disponível ao nível trófico seguinte.

A tabela a seguir fornece dados aproximados da proporção de energia assimilada em cada nível trófico (produção) e a quantidade energética desviada para o uso do próprio organismo (respiração).

Fonte de pesquisa: ODUM, Eugene P.; BARRET, Gary W. Fundamentos de ecologia. 5. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2008. p. 110.

A eficiência ecológica mede a quantidade de energia transferida de um nível trófico a outro, sendo um fator limitante da quantidade de níveis tróficos na cadeia alimentar. A eficiência da transferência depende da produção líquida consumida pelos seres vivos do nível subsequente e de como a energia é usada para a produção e a manutenção das atividades metabólicas desses organismos.

Os mamíferos e as aves, por exemplo, apresentam baixa eficiência de produção, já que gastam grande parte da energia para manter a temperatura corporal. Animais carnívoros demonstram maior eficiência do que os herbívoros, pois a digestão de tecidos vegetais demanda mais energia do que a de tecidos animais. Porém, os herbívoros necessitam de menor produção primária do que os carnívoros para se manterem.

As baleias são mamíferos aquáticos e mantêm a temperatura corporal relativamente constante (aproximadamente 37 graus Celsius$37°\text{C}$), embora a temperatura do mar possa atingir valores negativos em determinadas épocas do ano. Assim, uma grande quantidade de energia é necessária para gerar calor e manter a temperatura corporal relativamente constante.

Baleia-jubarte (M. novaeangliae): pode atingir aproximadamente 16 metros$16\text{ m}$ de comprimento.

Pirâmides de biomassa e de números

A biomassa consiste na quantidade de matéria orgânica do corpo de um organismo, ou seja, sua massa corporal, em determinado nível trófico da cadeia alimentar, e é transferida ao longo dos diferentes níveis tróficos. Ela é expressa em peso seco, pois a água é uma molécula inorgânica e, portanto, não é utilizada como fonte de energia. Além disso, a biomassa é apresentada por unidade de área (grama por metro quadrado${\text{g/m}}^2$ ou quilograma por metro quadrado$\text{kg/}{\text{m}}^2$) ou volume abre parênteses grama por metro cúbico fecha parênteses$\left({\text{g/m}}^3\right)$ em determinado momento ou por certo período.

A pirâmide de biomassa pode ser invertida, dependendo dos organismos envolvidos e das relações estabelecidas entre eles. No caso das cadeias alimentares aquáticas, por exemplo, o peso seco do fitoplâncton é menor do que o do zooplâncton. Contudo, como a reprodução desses produtores é muito rápida, eles conseguem sustentar a biomassa dos consumidores.

A pirâmide de números representa a quantidade de organismos existentes em cada nível trófico de uma cadeia alimentar e mostra a quantidade necessária de organismos para a dieta de cada um dos seres vivos envolvidos. Em muitas cadeias alimentares, quanto mais elevado for o nível trófico, maior será o tamanho corporal dos organismos envolvidos e, consequentemente, mais energia eles precisarão consumir.

Assim, é necessário grande quantidade de organismos em um nível trófico mais basal para alimentar uma quantidade cada vez menor de organismos nos níveis tróficos superiores.

As pirâmides de números podem ter formatos variados, dependendo dos organismos que compõem a cadeia alimentar e das relações entre eles. Confira o exemplo apresentado.

Alguns herbívoros, como os búfalos, são maiores do que seus predadores, os leões, que muitas vezes caçam em bando. Por isso, um único búfalo pode servir de alimento para vários leões.

Imagens elaboradas com base em: ODUM, Eugene P.; BARRETT, Gary. W. Fundamentos de ecologia. 5. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011. p. 103.

Matéria, um componente em circulação no ambiente

A destinação correta dos resíduos urbanos é um problema ambiental atual comum a diversos países. Segundo dados da Associação Brasileira de Resíduos e Meio Ambiente (Abrema), cada habitante no Brasil produziu, em 2022, cerca de 1 vírgula 0 4 quilograma$\text{1,04 kg}$ de resíduos sólidos por dia, o que corresponde a cerca de 380 quilogramas$\text{380 kg}$ de resíduos por habitante em um ano. Observe o gráfico "Quantidade de resíduos sólidos urbanos gerados no Brasil, por região (2022)" e, em seguida, leia a manchete a seguir.

Quantidade de resíduos sólidos urbanos gerados no Brasil, por região (2022)

Fonte de pesquisa: PANORAMA. Abrema. Disponível em: https://s.livro.pro/rjtdwa. Acesso em: 13 jul. 2024.

Disponível em: https://s.livro.pro/un5t2w. Acesso em: 13 jul. 2024.

Professor, professora: Comente com os estudantes que lixo é o termo popular usado para se referir aos resíduos sólidos descartados ou considerados sem utilidade.

Já estudamos que a matéria não é criada nem destruída, ela é transformada, seja por meio de processos artificiais, como a reciclagem, seja por meios naturais. Nesse último caso, os elementos químicos se movimentam entre os diferentes compartimentos do ambiente e entre seus componentes.

Cada elemento químico percorre um caminho característico no ambiente, que é conhecido como ciclo biogeoquímico e envolve diferentes etapas e processos. A fotossíntese, por exemplo, é um processo presente na ciclagem de diversos elementos químicos, como carbono abre parênteses C fecha parênteses$\left(\text{C}\right)$ e oxigênio abre parênteses O fecha parênteses$\left(\text{O}\right)$, além de interferir no ciclo hidrológico.

Agora, abordaremos alguns ciclos biogeoquímicos de maneira simplificada.

Ciclo biogeoquímico do oxigênio

Como estudamos anteriormente, o gás oxigênio foi injetado em grande quantidade na atmosfera terrestre após a origem dos seres vivos autotróficos. A presença desse gás possibilitou que diversas outras formas de vida se desenvolvessem, favorecendo a diversificação da vida na Terra.

O gás oxigênio corresponde a cerca de 21% dos gases da atmosfera terrestre atual e pode ser encontrado livre no ar, dissolvido na água abre parênteses H subscrito 2 O fecha parênteses$\left({\text{H}}_2\text{O}\right)$ ou em associação com outros elementos químicos. É um elemento essencial para a existência de diversas formas de vida, entre elas a humana. Acompanhe a seguir uma representação simplificada do ciclo biogeoquímico do oxigênio.

Imagem elaborada com base em: MILLER, G. Tyler. Ciência ambiental. 11. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2008. p. 58-59.

Ciclo biogeoquímico da água

A água pode ser encontrada no ambiente nos estados físicos sólido, líquido e gasoso. Seus maiores reservatórios são representados pelos oceanos, seguidos das geleiras e calotas polares; já a atmosfera é a porção que contém a menor quantidade de água na Terra. O ciclo da água, ou ciclo hidrológico, envolve a coleta e a distribuição da água do planeta, que se movimenta do ambiente aos seres vivos, e vice-versa.

Acompanhe a seguir uma representação simplificada do ciclo hidrológico.

Imagem elaborada com base em: MILLER, G. Tyler. Ciência ambiental. 11. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2008. p. 56.

Ciclo biogeoquímico do fósforo

O fósforo abre parênteses P fecha parênteses$\left(\text{P}\right)$ também é um exemplo de elemento químico essencial aos seres vivos, constituindo as membranas celulares, os ácidos nucleicos e as moléculas energéticas abre parênteses A T P fecha parênteses$\text{(ATP)}$, por exemplo.

O ciclo do fósforo também envolve organismos autotróficos, como as plantas, que absorvem esse elemento químico do solo e o transferem aos demais seres vivos por meio das cadeias alimentares. Esse ciclo é considerado bastante lento, quando comparado aos demais ciclos estudados neste capítulo. Acompanhe a seguir uma representação simplificada do ciclo biogeoquímico do fósforo.

Imagem elaborada com base em: MILLER, G. Tyler. Ciência ambiental. 11. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2008. p. 61.

Ciclo biogeoquímico do nitrogênio

O nitrogênio é essencial aos seres vivos, pois compõe diversas de suas moléculas, como os ácidos nucleicos (DNA e RNA), as proteínas e a clorofila.

O nitrogênio é encontrado principalmente na forma de gás nitrogênio abre parênteses N subscrito 2 fecha parênteses$\left({\text{N}}_2\right)$, composto químico mais abundante da atmosfera terrestre, correspondendo a cerca de 78% do volume total dessa camada de ar. Apesar de abundante, esse gás não pode ser absorvido diretamente pela maioria dos seres vivos. Assim, a assimilação do nitrogênio requer a participação de outros seres vivos, em processos que envolvem uma série de reações químicas, que podem ocorrer de modo natural ou artificial. Acompanhe a seguir uma representação simplificada do ciclo biogeoquímico do nitrogênio.

Imagem elaborada com base em: MILLER, G. Tyler. Ciência ambiental. 11. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2008. p. 60.

Analise a seguir um esquema resumindo os principais eventos da fixação biológica do gás nitrogênio.

Imagem elaborada com base em: MILLER, G. Tyler. Ciência ambiental. 11. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2008. p. 60.

A maioria dos microrganismos envolvidos na fixação do nitrogênio é de vida livre. No entanto, algumas espécies podem desenvolver simbiose com determinadas plantas, como as leguminosas. Essa associação resulta na formação de nódulos, que são estruturas esféricas localizadas principalmente nas raízes e onde se concentram as bactérias fixadoras. Os organismos envolvidos na simbiose podem viver separadamente, associando-se apenas quando a concentração do elemento químico nitrogênio no solo está reduzida.

Ciclo biogeoquímico do carbono

O ciclo biogeoquímico do carbono envolve a movimentação desse elemento químico no ambiente e sua transferência para os seres vivos, e vice-versa. Assim como outros elementos químicos, o carbono é essencial aos seres vivos, participando da constituição de uma variedade de moléculas, como carboidratos, lipídios, proteínas e ácidos nucleicos.

A ciclagem do carbono no ambiente se baseia, principalmente, no gás carbônicoabre parênteses C O subscrito 2 fecha parênteses$\left({\text{CO}}_2\right)$, que corresponde a aproximadamente 0,038% da atmosfera terrestre e que também se encontra nos ambientes aquáticos. Além disso, esse elemento químico está presente em reservatórios, como rochas e combustíveis fósseis. A ciclagem do carbono envolvendo tais reservas ocorre naturalmente de maneira muito lenta, por meio da oxidação em contato com o ar, quando comparado com a ciclagem desse elemento envolvendo os seres vivos.

Acompanhe a seguir uma representação simplificada do ciclo biogeoquímico do carbono.

Imagem elaborada com base em: MILLER, G. Tyler. Ciência ambiental. 11. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2008. p. 58-59.

Ciclo biogeoquímico do enxofre

O enxofre abre parênteses S fecha parênteses$\left(\text{S}\right)$ participa da composição de alguns aminoácidos e proteínas, sendo importante para a constituição e o funcionamento adequados dos organismos. O enxofre presente na Terra está armazenado, principalmente, no subsolo, nas rochas e em minerais, podendo também ser encontrado no ar atmosférico.

Acompanhe a seguir uma representação simplificada do ciclo biogeoquímico do enxofre.

Imagem elaborada com base em: MILLER, G. Tyler. Ciência ambiental. 11. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2008. p. 63.

O ser humano e os ciclos biogeoquímicos

Como você estudou anteriormente, os elementos químicos circulam nos ambientes naturalmente em ciclos biogeoquímicos, e o ser humano participa de diversos deles. Apesar disso, algumas atividades antrópicas podem interferir negativamente nesses ciclos, alterando as concentrações e a disponibilidade dessas substâncias químicas nos ambientes. Vamos conhecer a seguir algumas atividades humanas que interferem nos ciclos biogeoquímicos.

Grande parte da água que evapora da superfície é proveniente das plantas. Assim, quando elas são retiradas, por atividades como desmatamento e queimadas, esse processo é diretamente afetado, reduzindo o aporte de vapor de água na atmosfera.

Além disso, as raízes dos vegetais são responsáveis por ajudar a reter água no solo, que se infiltra, alcançando os níveis subterrâneos, fenômeno responsável pelo abastecimento de nascentes e fontes de água subterrâneas. Na ausência de vegetação, a água da chuva atinge diretamente o solo arrastando grande quantidade de sedimentos e poluentes, que podem alcançar corpos de água e desencadear seu assoreamento, afetando os ecossistemas e toda a vida aquática.

O desflorestamento também reduz a absorção e a fixação de carbono pela fotossíntese e prejudica a manutenção de fósforo no solo. As queimadas elevam a quantidade de dióxido de carbono emitido para a atmosfera. Além disso, a combustão desses materiais consome gás oxigênio, cuja produção é reduzida por causa da remoção da vegetação. É preciso também ressaltar que altos níveis de gás carbônico estão associados à intensificação do efeito estufa.

Nos espaços urbanos e densamente povoados, as áreas pavimentadas têm sido ampliadas, reduzindo as áreas de cobertura vegetal e promovendo a impermeabilização do solo. Esse processo prejudica a infiltração da água no solo e, consequentemente, a recarga das fontes de água subterrâneas.

Apesar de as águas da chuva serem escoadas para as redes de drenagem pluvial em áreas pavimentadas e com acesso a esse serviço de saneamento básico, a deposição inadequada de resíduos tem afetado esse processo, resultando em eventos como os alagamentos durante as chuvas mais severas, que podem afetar as vias públicas e as áreas residenciais.

Nas atividades de extração mineral, como na extração de rochas para a obtenção de fósforo, também há desequilíbrio nos ciclos biogeoquímicos, interferindo diretamente na disponibilidade desse elemento químico no ambiente.

Além disso, para obter metais, como o cobre, é necessário realizar o aquecimento das rochas, o que pode liberar poluentes atmosféricos, como o dióxido de carbono, além de metais, como cádmio, chumbo, mercúrio, entre outros.

As atividades agropecuárias também podem afetar os ciclos biogeoquímicos. A ampliação das áreas destinadas a essas atividades estão diretamente relacionadas com a substituição da cobertura vegetal original por pastagens e com o aumento da emissão de gases de efeito estufa, como o metano.

A técnica de aragem do solo, utilizada na agricultura, intensifica o processo de decomposição pelos microrganismos, pois favorece a entrada de gás oxigênio no solo. Como resultado, o carbono armazenado nele retorna para a atmosfera na forma de CO subscrito 2${\text{CO}}_2$.

Já a aplicação de fertilizantes adiciona elevadas quantidades de nitrogênio e fósforo no solo. Apesar de essenciais para os seres vivos, seu excesso pode prejudicar o desenvolvimento das plantas e até interferir em sua fixação e absorção. Além disso, os compostos contendo nitrogênio e fósforo aplicados nas plantações podem escoar na superfície e atingir os corpos de água, contaminando-os. Há ainda o despejo inadequado de esgoto nos ambientes aquáticos, que adiciona grande quantidade de fósforo e nitrogênio neles.

Outro fator que afeta os ciclos biogeoquímicos é a queima de combustíveis fósseis em veículos automotores e nas usinas termelétricas, por exemplo. Essa atividade injeta grande quantidade de carbono na atmosfera terrestre, por meio da emissão de monóxido de carbono abre parênteses C O fecha parênteses$\left(\text{CO}\right)$ e dióxido de carbono, além de outros gases, como dióxido de enxofre e óxido nítrico abre parênteses N O fecha parênteses$\text{(NO)}$.

Na atmosfera, o óxido nítrico pode se converter em dióxido de nitrogênio abre parênteses N O subscrito 2 fecha parênteses$\left({\text{NO}}_2\right)$ e em ácido nítrico, que podem precipitar na forma de chuva ácida. Essa chuva pode alterar o pH de ambientes aquáticos, prejudicando os seres que vivem nele, e danificar plantas e construções humanas.

A influência das atividades humanas na ciclagem da matéria no ambiente não interfere apenas diretamente nesses ciclos, mas causa outros efeitos, tanto no ambiente como nos seres vivos. Entre esses efeitos estão a poluição do ar, da água e do solo e os prejuízos diretos e indiretos aos seres vivos que dependem desses ambientes, inclusive o próprio ser humano.

Por exemplo, o aumento da concentração de nutrientes nos ambientes aquáticos, como nitrogênio e fósforo, tem provocado a eutrofização desses ambientes. Esse processo se caracteriza pelo aumento na quantidade de seres vivos autotróficos no ambiente aquático, como as algas. Ao morrerem, a decomposição das algas por microrganismos consome o gás oxigênio do ambiente, prejudicando os demais seres vivos aquáticos e toda a cadeia alimentar local. Ambientes eutrofizados, além da coloração geralmente esverdeada, apresentam mau cheiro por conta da decomposição excessiva.

Embora a eutrofização possa ocorrer naturalmente, o aporte excessivo de nutrientes pelas atividades humanas é a principal causa desse processo. Esse é apenas um dos inúmeros efeitos que essa interferência nos ciclos biogeoquímicos pode causar aos ambientes e aos seres vivos. Embora o ser humano possa interferir nesses ciclos em diferentes níveis e de diferentes maneiras, também há muitas formas de reduzir esse problema.

Para combater o excesso de aporte de nutrientes nos ambientes aquáticos, é possível reduzir a aplicação de fertilizantes na agricultura por meio da adubação verde, por exemplo. Esse tipo de adubação consiste no uso de plantas leguminosas para manter os níveis adequados de nutrientes no solo, como de nitrogênio. Nesse caso, as plantas leguminosas, em cujas raízes geralmente ocorrem associações com microrganismos fixadores de nitrogênio, são depositadas sobre o solo, antes do plantio. A decomposição dessas plantas devolve ao solo o nitrogênio fixado, eliminando a necessidade do uso de produtos químicos.

Crotalária (Crotolaria sp.): pode atingir aproximadamente 3 metros$\text{3 m}$ de altura.

Professor, professora: Comente com os estudantes que, em razão do seu crescimento rápido, leguminosas crotalárias são amplamente utilizadas para a adubação verde.

Além da adubação verde, é possível reduzir o uso de fertilizantes por meio da rotação de culturas, a fim de manter a qualidade do solo. Nesse processo, intercala-se o tipo de cultura a cada plantio, alterando, assim, as exigências nutricionais sem exaurir determinados nutrientes.