Como o Ambiente Determina o Sucesso de um Organismo?

Desde pequenos vírus e bactérias, não reconhecidos por milênios, até baleias azuis pesando 200 toneladas e fungos que se espalham por centenas de hectares no subsolo, a diversidade e extensão da vida na Terra é deslumbrante. Em sua vida e reprodução, todo organismo é moldado e, por sua vez, molda seu ambiente. Os cientistas ecológicos estudam as interações organismo-ambiente em ecossistemas de todos os tamanhos, desde comunidades microbianas até a Terra como um todo.

Os cientistas estimam que existem entre cinco e cinquenta milhões de espécies de organismos na Terra, das quais menos de dois milhões foram nomeadas oficialmente. Muitos organismos são pequenos: incluindo micróbios que habitam quase todas as fendas da Terra; minúsculos vermes que ajudam a construir solos; e insetos que passam a vida inteira no topo das árvores. Ao lado desses pequenos habitantes, coexistem espécies maiores e chamativas que atraíram a atenção humana ao longo dos tempos: plantas e fungos multicelulares, pássaros, répteis, anfíbios e outros mamíferos. Essas espécies, assim como muitas outras menores, são consumidores que dependem para sustentar-se de compostos bioquímicos energéticos gerados a partir de energia luminosa pela fotossíntese de espécies produtoras ou de reações químicas inorgânicas por espécies quimiossintéticas.

A Biodiversidade

A diversidade de espécies produtoras, das quais toda a vida depende, é imensa e varia de cianobactérias a árvores imponentes em florestas tropicais e temperadas. A vida vegetal envolve grande parte da superfície terrestre da Terra, fornecendo estrutura aos ecossistemas (por exemplo, sistemas interagentes de organismos e seu ambiente físico), habitat para os consumidores e regulando o intercâmbio de energia e produtos químicos com a atmosfera. Os nutrientes dos sistemas terrestres chegam aos lagos e oceanos, onde a produção primária adicional de fitoplâncton e algas ajuda a apoiar grandes comunidades de zooplâncton, peixes, mamíferos marinhos e aves. Com o tempo, os nutrientes retornam dos oceanos para a terra por meio de movimentos de organismos, trocas gasosas atmosféricas ou processos geológicos mais lentos, como a elevação de sedimentos oceânicos.

Abordagem Científica

Os cientistas ecológicos que estudam essa complexa rede de vida adotam diversas abordagens. O objetivo de alguns estudos é esclarecer princípios gerais que explicam como os ecossistemas funcionam. Por exemplo, essas pesquisas podem investigar se uma maior biodiversidade tende a tornar os ecossistemas mais ou menos suscetíveis à invasão por espécies exóticas. Em outros casos, a pesquisa se concentra em questões específicas que oferecem informações úteis para o gerenciamento de ecossistemas. Por exemplo, esses estudos podem examinar se novas estratégias de cultivo agrícola expandirão o habitat da vida selvagem.

Para responder a perguntas como essas, os ecologistas observam a natureza, conduzem experimentos e constroem modelos matemáticos. Os estudos são realizados em diferentes escalas, porque os ecossistemas são de vários tamanhos. Os estudos ecológicos podem examinar organismos individuais, populações de espécies únicas, comunidades de múltiplas espécies, ecossistemas ou a Terra como um todo. Os estudos ecológicos também podem examinar diferentes períodos de tempo, desde interações de curto prazo, da ordem de segundos a minutos, até perspectivas que abrangem grandes porções dos 4,5 bilhões de anos de história da Terra.

Padrões de Habitat

Os organismos habitam quase todos os ambientes da Terra, desde as aberturas quentes no fundo do oceano até as regiões geladas do Ártico. Cada ambiente oferece recursos e restrições que moldam a aparência das espécies que o habitam e as estratégias que essas espécies usam para sobreviver e se reproduzir. Alguns dos padrões mais amplos de diferença ambiental surgem da maneira como nosso planeta orbita o Sol e da resultante distribuição global da luz solar. Nos trópicos, onde a radiação solar é abundante o ano todo, as temperaturas são quentes e as plantas podem fotossintetizar continuamente enquanto houver água e nutrientes disponíveis. Nas regiões polares, onde a radiação solar é limitada sazonalmente, as temperaturas médias são muito mais baixas e os organismos devem lidar com períodos prolongados quando a fotossíntese cessar.

Elementos Químicos

Em todos os ecossistemas, os recursos e restrições ambientais moldam a estrutura e a fisiologia dos organismos. Um dos mais antigos legados ambientais da Terra é a matriz de elementos químicos que ela contém. No seu nascimento, a Terra herdou átomos de carbono produzidos por estrelas que queimaram muito antes de nosso sol se formar. Esses átomos de carbono, com sua capacidade única de construir cadeias e elos de quatro vias com outros elementos, fornecem a espinha dorsal de todas as moléculas orgânicas que compõem a vida atualmente. O nitrogênio e o fósforo também são elementos essenciais nos organismos vivos, onde desempenham papéis centrais na composição de proteínas, ácidos nucleicos e compostos energéticos.

Esses elementos nem sempre estão prontamente disponíveis para os organismos, portanto as limitações de nutrientes podem restringir poderosamente as estratégias biológicas.  Com o tempo evolutivo, as simbioses que se desenvolveram entre bactérias e plantas fixadoras de nitrogênio ajudaram a aumentar a disponibilidade de nitrogênio em muitos ecossistemas. No entanto, dada a forte concorrência pelo nitrogênio e outros elementos, os ecologistas descobrem que as limitações nutricionais restringem a vida em muitos ambientes.

Propriedades Físicas

Os organismos são moldados ainda mais pelas propriedades físicas da mídia em que vivem, incluindo as densidades e temperaturas da mídia.

Temperatura

Os ecologistas também estudam como a temperatura influencia a ecologia e a evolução das espécies. Os organismos geralmente desaceleram ou congelam quando as condições são frias, mas superaquecem e perdem a função à medida que as temperaturas aumentam. Muitas espécies, portanto, desenvolveram características que ajudam a se proteger contra temperaturas extremas e influenciam sua ecologia.

Em terra, pesquisas mostram que plantas e animais de sangue frio desenvolvem coloração escura e se posicionam para maximizar o ganho de energia solar em clima frio. Em regiões mais quentes, estudos revelam que os animais podem evitar o sol intenso, enquanto as plantas se protegem transpirando grandes quantidades de água, maximizando o fluxo de ar através de sua folhagem ou adormecendo até que as temperaturas mais baixas retornem. Algumas adaptações de temperatura podem ser surpreendentes.

Competição

Os ecologistas descobriram que as interações entre organismos ocorrem de várias formas diferentes. Nas relações antagônicas, os organismos competem por recursos, espalham doenças para seus vizinhos ou se consomem. Em associações mais mutualísticas, um organismo protege outro, dois organismos trocam recursos ou evoluem dependências mais rígidas, como relações co-evoluídas entre polinizadores especializados e flores. Em alguns casos, as espécies até cultivam outras.

Em outros casos, espécies com grandes estruturas se tornam habitat para organismos menores.  Em uma escala maior, o aumento evolutivo das plantas com flores (angiospermas) e o desenvolvimento de extensas copas das florestas tropicais produziram novos ambientes nos quais os animais testaram novas estratégias ecológicas. Os cientistas sugerem que a evolução da estrutura de galhos abertos das árvores da floresta tropical ajudou a impulsionar a evolução da estrutura dos membros anteriores nos macacos, permitindo o balanço de árvore para árvore e legando destreza manual aos seres humanos.