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6.2: Notas de preparação do professor de teias tróficas - Biologia

6.2: Notas de preparação do professor de teias tróficas - Biologia


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Visão geral

Nesta atividade, os alunos analisam a produção e utilização de moléculas orgânicas em ecossistemas. Os alunos constroem uma teia alimentar para o Parque Nacional de Yellowstone, incluindo produtores, consumidores primários, consumidores secundários, decompositores e onívoros tróficos. Em seguida, os alunos analisam uma cascata trófica que resultou quando os lobos foram reintroduzidos em Yellowstone.

Os alunos aprendem como os átomos de carbono e a energia se movem nos ecossistemas como resultado das relações tróficas nas redes alimentares, fotossíntese, biossíntese e respiração celular. Isso fornece a base para a compreensão dos ciclos do carbono e do fluxo de energia através dos ecossistemas. Na seção final, os alunos usam esses conceitos e raciocínio quantitativo para entender as pirâmides tróficas.

Metas de aprendizagem

Metas de aprendizagem relacionadas aos padrões científicos da próxima geração

Os alunos irão adquirir uma compreensão de Ideia central disciplinar LS2.B, Ciclos de matéria e transferência de energia em ecossistemas:

“Teias alimentares são modelos que demonstram como matéria e energia são transferidas entre produtores, consumidores e decompositores conforme os três grupos interagem dentro de um ecossistema.”

“Plantas ou algas formam o nível mais baixo da cadeia alimentar. Em cada elo ascendente em uma teia alimentar, apenas uma pequena fração da matéria consumida no nível inferior é transferida para cima, para produzir crescimento e liberar energia na respiração celular no nível superior. Dada essa ineficiência, geralmente há menos organismos em níveis mais altos de uma teia alimentar. Alguma matéria reage para liberar energia para as funções vitais, alguma matéria é armazenada em estruturas recém-formadas e muito é descartado. Os elementos químicos que compõem as moléculas dos organismos passam pelas teias alimentares e entram e saem da atmosfera e do solo e são combinados e recombinados de diferentes maneiras. Em cada elo em um ecossistema, matéria e energia são conservadas. ”

“A fotossíntese e a respiração celular são componentes importantes do ciclo do carbono, no qual o carbono é trocado entre a biosfera, a atmosfera, os oceanos e a geosfera por meio de processos químicos, físicos, geológicos e biológicos.”

Os alunos se envolverão em vários Práticas Científicas:

  • “Construindo explicações” (seções I-V)
  • “Desenvolvendo e usando modelos” (seções II-V)
  • “Analisando e interpretando dados” (seções II e V)
  • “Usando matemática e pensamento computacional” (seção V)

o Conceito de Crosscutting, “Energia e Matéria: Fluxos, Ciclos e Conservação” é o tema central das seções III-V desta atividade.

Esta atividade ajuda a preparar os alunos para o Expectativas de desempenho:

  • MS-LS2-3. “Desenvolva um modelo para descrever o ciclo da matéria e o fluxo de energia entre as partes vivas e não vivas de um ecossistema.”
  • HS-LS2-4. “Use uma representação matemática para apoiar as afirmações sobre o ciclo da matéria e o fluxo de energia entre os organismos em um ecossistema.”
  • HS-LS2-5. “Desenvolva um modelo para ilustrar o papel da fotossíntese e da respiração celular na ciclagem do carbono entre a biosfera, atmosfera, hidrosfera e geosfera.”

Objetivos de aprendizagem de conteúdo específico

  • UMA produtor é um organismo que produz todas as suas próprias moléculas orgânicas a partir de pequenas moléculas inorgânicas, enquanto um consumidor é um organismo que consome moléculas orgânicas produzidas por outros organismos.
  • Os consumidores podem ser subdivididos em consumidores primários (herbívoros) que comem produtores, decompositores que consomem matéria orgânica morta, consumidores secundários que consomem consumidores primários ou decompositores, consumidores terciários que consomem consumidores secundários, e onívoros tróficos que consomem organismos em mais de um nível trófico.
  • Em um relação trófica, um organismo consome moléculas orgânicas de outro organismo (ou um decompositor consome moléculas orgânicas de matéria orgânica morta). UMA cadeia alimentar mostra uma sequência simples de relações tróficas (por exemplo, produtor → consumidor primário → consumidor secundário). UMA teia alimentar mostra as múltiplas relações tróficas complexas entre os organismos em um ecossistema.
  • Uma teia alimentar normalmente inclui um teia alimentar verde que começa com produtores e um teia alimentar marrom que começa com matéria orgânica morta. Alguns organismos em níveis tróficos mais elevados pertencem às cadeias alimentares verdes e marrons. Decompositores e teias alimentares marrons são cruciais para prevenir o acúmulo excessivo de matéria orgânica morta.
  • Compreender uma teia alimentar pode nos ajudar a entender como as mudanças no tamanho da população de um organismo podem influenciar o tamanho da população de outro organismo em um ecossistema. Por exemplo, um cascata trófica pode ocorrer quando um aumento na população de predadores resulta em uma diminuição na população de herbívoros que, por sua vez, resulta em aumento do crescimento da planta.
  • Vários processos contribuem para o movimento de átomos de carbono e energia nos ecossistemas. As moléculas orgânicas contêm átomos de carbono e energia química, portanto, átomos de carbono e energia se movem juntos quando um consumidor come moléculas orgânicas ou quando um organismo morre e se torna matéria orgânica morta.
  • Fotossíntese, respiração celular, e biossíntese também contribuem para o movimento de átomos de carbono e transformações de energia nos ecossistemas. Por exemplo, durante a fotossíntese, a energia da luz é usada para incorporar átomos de carbono de CO2 em moléculas orgânicas que possuem alta energia química.
  • Fotossíntese, respiração celular e biossíntese, como todos os processos biológicos, seguem estes princípios gerais.
    • Os átomos nas moléculas podem ser reorganizados em outras moléculas, mas os átomos não podem ser criados ou destruídos.
    • A energia não é criada nem destruída por processos biológicos.
    • A energia pode ser transformada de um tipo para outro (por exemplo, a energia da luz solar pode ser transformada em energia química em glicose).
    • Todos os tipos de transformação de energia são ineficientes, portanto, parte da energia de entrada é transformada em energia térmica.
  • o ciclo do carbono resultados dos processos de:
    • Fotossíntese, que move átomos de carbono do CO2 no ar para moléculas orgânicas em plantas (e biossíntese, que produz as moléculas orgânicas complexas em um organismo)
    • Consumo que move o carbono nas moléculas orgânicas de um organismo para outro (e morte e defecação que movem o carbono nas moléculas orgânicas para a matéria orgânica morta)
    • Respiração celular que move átomos de carbono de moléculas orgânicas para CO2 no ar.
  • A energia não pode circular nos ecossistemas porque todas as transformações de energia são ineficientes, então parte da energia de entrada é transformada em calor, que não pode ser usado como energia de entrada para a fotossíntese. Portanto, a energia flui através dos ecossistemas da luz solar → energia química em moléculas orgânicas → energia térmica que é irradiada para o espaço. Assim, os ecossistemas com organismos vivos dependem da entrada constante de energia luminosa do sol. Em contraste, a Terra não recebe um influxo significativo de átomos de carbono e isso não é um problema porque os átomos de carbono são constantemente reciclados.
  • o biomassa de um organismo é a massa das moléculas orgânicas do organismo. A taxa de produção de biomassa é mais alta para os produtores em um ecossistema e menor para cada nível trófico mais alto no ecossistema. Uma das principais razões é que grande parte da biomassa ingerida pelos consumidores é usada para a respiração celular, de modo que os átomos de carbono são perdidos como CO2 é liberado para o meio ambiente. Esta redução na taxa de produção de biomassa em cada nível trófico resulta em um pirâmide trófica. Uma implicação prática é que leva cerca de dez vezes mais terra para produzir uma biomassa equivalente de carne de um consumidor primário em comparação com uma biomassa semelhante de alimento vegetal.

Suprimentos para a Seção II. Cadeias alimentares e teias alimentares

  • 24 cartas para uma teia alimentar parcial simplificada de Yellowstone (para ser reutilizada em cada classe, então você precisará de um baralho para cada grupo de 2 a 4 alunos em sua classe maior)
  • (As páginas 14-17 destas notas de preparação do professor têm as imagens para esses cartões. Recomendamos que você imprima os cartões em cartolina ou lamine esses cartões para maior durabilidade. Um arquivo PDF adequado para impressão profissional e corte de cartões está disponível nos comentários página de http://serendip.brynmawr.edu/sci_edu/waldron/#ecolfoodw eb.)
  • Uma mesa de laboratório ou outra superfície de ~ 2,5 ft.² (~ 76 cm2) que os alunos podem escrever com giz ou marcador branco à medida que criam sua teia alimentar ou um grande pedaço de papel (por exemplo, de um bloco de cavalete) ou cartolina (um mínimo de 2,3 pés² (70 cm)2)) (para cada grupo de alunos)
  • Se os alunos estão escrevendo em mesas de laboratório, um marcador de apagamento a seco ou giz para desenhar caixas e setas, conforme indicado na página 3 da Folha de Apoio do Aluno (uma para cada grupo de alunos em sua maior classe)
  • Régua (um para cada grupo de alunos em sua maior classe)
  • 1 folha de papel para cada aluno desenhar a teia alimentar para responder à pergunta 6 (O papel deve ser usado na orientação paisagem. Você pode usar o modelo mostrado na última página destas Notas de Preparação do Professor ou pode usar um pedaço de papel maior, por exemplo, tamanho ofício)

Sugestões instrucionais e informações básicas

Como fundo para esta atividade, os alunos devem ter uma compreensão básica da respiração celular e fotossíntese. Para este propósito, recomendamos "Como os organismos biológicos usam energia?" (http://serendip.brynmawr.edu/exchange/bioactivities/energy) e “Usando Modelos para Entender a Fotossíntese” (http://serendip.brynmawr.edu/exch ange / bioactivities / modelphoto).

Estimamos que as duas primeiras seções desta atividade exigirão um período de 50 minutos. (Dependendo de seus alunos, você pode preencher a página 1 da Folha de Apoio do Aluno um dia antes de fazer a teia alimentar ou a página 4 um dia depois de fazer a teia alimentar.) Estimamos que as seções III-V exigirão outro período de 50 minutos . Dependendo de seus objetivos de aprendizagem, você pode usar apenas as seções I-II ou as seções I-IV.

Na apostila do aluno, números em negrito indicar perguntas para os alunos responderem.

UMA chave para esta atividade está disponível mediante solicitação a Ingrid Waldron ([email protected]). Os parágrafos a seguir fornecem sugestões adicionais de instrução e informações de biologia de fundo - alguns para inclusão em suas discussões de classe e alguns para fornecer a você um histórico relevante que pode ser útil para sua compreensão e / ou para responder às perguntas dos alunos.

I. Introdução

A primeira seção da Folha de Apoio do Aluno apresenta algumas terminologia. Introduzimos o termo produtor (mas não o termo equivalente autotrófico) para organismos que usam a energia da luz solar para fazer todas as suas moléculas orgânicas. Também introduzimos o termo consumidor (mas não o termo equivalente heterotrófico) para organismos que consomem moléculas orgânicas produzidas por outros organismos. Se desejar, você pode facilmente incluir os termos autotrófico e heterotrófico.

Produtores incluem não apenas plantas (que são mencionadas na Folha de Apoio do Aluno), mas também outros organismos fotossintetizantes, como algas e cianobactérias.

Decompositores como bactérias e fungos liberam enzimas em matéria orgânica morta; essas enzimas digerem moléculas orgânicas complexas em moléculas solúveis menores que são absorvidas pelos decompositores. Detritívoros, como minhocas, ingerem matéria orgânica morta, extraem nutrientes e excretam partículas menores sobre as quais os decompositores podem agir. Outros animais, como os coiotes, se alimentam de carniça, como os restos de um alce morto por uma matilha de lobos.

Um briefing divertido e informativo vídeo, “Coisas mortas: o ingrediente secreto em nossa cadeia alimentar” (https://www.youtube.com/watch?v=KI7u_pcfAQE), resume algumas das informações nesta seção e apresenta as cadeias e cadeias alimentares. Você pode mostrar este vídeo no final desta seção introdutória ou próximo ao início da seção II, Cadeias alimentares e teias alimentares.

II. Cadeias alimentares e teias alimentares

Para a discussão de cadeias alimentares e teias alimentares, seus alunos devem entender que o setas apontam do organismo que é consumido ao organismo que consome. Em outras palavras, as setas mostram a direção do fluxo da nutrição.

o onívoro trófico A categoria inclui a categoria mais familiar de onívoros (animais que comem produtores e consumidores primários), mas a categoria de onívoros tróficos também inclui outros organismos que consomem organismos em mais de um nível trófico (por exemplo, um carnívoro que consome consumidores primários e secundários). Observe como vocabulário semelhante é usado de maneira diferente em contextos diferentes. Outro exemplo seria uma pessoa que se considera vegetariana porque não come carne, embora coma leite e ovos; de acordo com as definições científicas, ele não é um herbívoro, mas sim um onívoro.

O Parque Nacional de Yellowstone inclui cerca de 3.500 milhas quadradas, principalmente em Wyoming. O parque inclui uma variedade de habitats, incluindo florestas, pastagens e habitats aquáticos.

o Nomes latinos para os animais e plantas incluídos na rede alimentar do Parque Nacional de Yellowstone são os seguintes:

American Robin - Turdus migratorius

Aspen - Populus tremuloides

Castor - rícino canadensis

Búfalo - Bisão bisão

Coiote - Canis Latrans

Truta Cutthroat - Oncorhynchus Clarkii

Ratos veados - Peromyscus maniculatus

Minhoca - Lumbricina

Elk - Cervus Elaphus

Lobo cinza - Canis lúpus

Urso-pardo - Ursus arctos

Springtails - Collembola

Esquilo terrestre Uinta - Spermophilus armatus

Marmota de barriga amarela - Marmota flaviventris

Willow - Salix spp.

Conforme você distribui o Cartões da web alimentar de Yellowstone, você provavelmente desejará salientar que a maioria desses cartões inclui uma estimativa geral da faixa de tamanho (comprimento) para o organismo. Seus alunos devem notar o tamanho minúsculo da maioria dos decompositores e outros organismos na cadeia alimentar marrom. Além disso, usamos o termo mais familiar "comer" para a maioria das cartas, mas para bactérias e fungos, usamos o termo "consumir", uma vez que esses organismos não ingerem matéria orgânica morta, mas secretam enzimas no meio ambiente e, em seguida, absorver moléculas de nutrientes digeridas.

Depois que seus alunos fizerem a tentativa inicial de criar a teia alimentar de Yellowstone, se houver discrepâncias entre a teia alimentar e a mostrada na chave (disponível mediante solicitação para [email protected]), você pode fornecer dicas para ajudar os alunos a criar uma teia alimentar mais precisa; por exemplo, você pode querer dizer a eles o número de organismos em cada categoria (4 produtores, 6 consumidores primários, 2 decompositores, 2 consumidores secundários e 9 onívoros tróficos).

Se seus alunos não estão familiarizados com fungos, você pode querer apresentá-los à estrutura básica de um corpo de frutificação acima do solo que produz esporos (por exemplo, um cogumelo), e o micélio, uma vasta rede de hifas no solo, esterco, tronco podre ou outra matéria orgânica. As hifas no micélio secretam enzimas digestivas e absorvem nutrientes.

Para fazer um gerenciável teia alimentar para os alunos construírem, omitimos a maioria dos tipos de organismos encontrados em Yellowstone National Park e omitiu muitas das relações tróficas para os organismos que incluímos. Mesmo esta cadeia alimentar parcial e simplificada sugere parte da complexidade das cadeias alimentares biológicas reais.

Adicional complexidades que temos omitido incluir:

  • Não distinguimos entre relações tróficas mais importantes e menos importantes. Por exemplo, ~ 90% das mortes de lobos em Yellowstone são alces, então os alces são de longe a presa mais importante para os lobos cinzentos em Yellowstone.
  • Muitos tipos de animais consomem diferentes tipos de alimentos em diferentes épocas do ano e / ou em diferentes fases da vida.
  • Não distinguimos entre os muitos tipos diferentes de fungos, Protista, nematóides, ácaros, colêmbolos, gramíneas e outras plantas com flores em Yellowstone. Omitimos menção às diferentes relações tróficas para diferentes espécies dentro de cada um desses grupos.
  • Nenhum dos muitos parasitas presentes em qualquer comunidade biológica foi incluído.
  • A teia alimentar de Yellowstone consiste em sub-teias em diferentes habitats, como lagos, riachos, solo e pastagens e florestas acima do solo.

Deve-se ressaltar que, por razões práticas, todas ou quase todas as teias alimentares publicadas são parciais, uma vez que é virtualmente impossível pesquisar e descrever todas as muitas espécies e relações tróficas em teias alimentares biológicas reais. Por exemplo, uma análise de uma teia alimentar planta-mamífero para o ecossistema Serengeti incluiu 129 espécies de plantas e 32 espécies de mamíferos, mas excluiu muitos outros mamíferos, répteis, anfíbios, pássaros, invertebrados e decompositores. o

A teia alimentar do Serengeti (mostrada na figura da próxima página) mostra uma maneira de organizar dados complexos da teia alimentar, agrupando espécies de acordo com semelhanças na localização espacial e relações tróficas. A coluna da esquerda mostra os grupos de plantas, a coluna do meio mostra os grupos de herbívoros e os grupos de carnívoros são mostrados à direita.

o cascata trófica discutido na página 4 da Folha de Apoio do Aluno, é um exemplo de controle de cima para baixo do tamanho da população. As tendências no tamanho da população de alces foram influenciadas por fatores adicionais, incluindo o inverno muito rigoroso de 1996-97, quando o gelo sobre a neve impediu o acesso de alces à forragem de inverno; isso resultou em alta mortalidade de alces. Este é um exemplo de controle de baixo para cima, outro tipo importante de controle do tamanho da população.

Se seus alunos não estão familiarizados com anéis de crescimento anual, você pode explicar que a área de cada anel de crescimento anual é uma medida da quantidade de crescimento de um salgueiro em um determinado ano. Se os alces comerem menos do crescimento das folhas e ramos, o salgueiro terá mais folhas, o que resultará em mais fotossíntese, o que, por sua vez, resultará em mais biossíntese e um anel de crescimento anual mais espesso. Os anéis de crescimento anuais são visíveis porque as novas células do xilema produzidas na primavera são grandes e de paredes finas, enquanto as novas células do xilema formadas no verão são menores e de paredes espessas.

Você pode querer mostrar a seus alunos um ou ambos videos relacionadas às cascatas tróficas. Esses vídeos têm pontos fortes contrastantes:

  • “Wolves of Yellowstone” (http://education.nationalgeographic.org/media/wolves-yellowstone/) (um envolvente vídeo da National Geographic que pode superestimar os efeitos dos lobos)
  • Vídeo do ecossistema sobre pesquisa em Yellowstone (começando aos 13 minutos e 40 segundos em http://www.learner.org/courses/envsci/unit/text.php?unit=4&secNum=1) (mais equilibrado e mais detalhado sobre a pesquisa)

III. Fotossíntese, respiração celular e biossíntese

A fotossíntese, a respiração celular e a biossíntese desempenham papéis importantes no ciclo do carbono e no fluxo de energia nos ecossistemas. Nesta seção, os alunos revisam um resumo básico de cada um desses complexos processos moleculares / celulares enquanto se preparam para a próxima seção sobre o ciclo do carbono e o fluxo de energia nos ecossistemas. Informações adicionais sobre esses processos (incluindo uma explicação da estimativa de que a respiração celular de uma molécula de glicose produz apenas ~ 29 ATP) são fornecidas em "Respiração celular e fotossíntese - conceitos importantes, equívocos comuns e atividades de aprendizagem" (disponível em http: / /serendip.brynmawr.edu/exchange/bioactivities/cellrespiration).

Recomendamos ter uma discussão em classe sobre questão 9 antes de prosseguir para a discussão da respiração celular e biossíntese. Essa discussão não deve apenas garantir que os alunos entendam a fotossíntese, mas também que entendam o tipo de gráfico que está sendo usado para apresentar a fotossíntese, a respiração celular e a biossíntese. Os alunos podem ficar intrigados com a ideia de que a fotossíntese produz calor, uma vez que as folhas geralmente não aquecem; isso pode ser explicado considerando que apenas uma quantidade relativamente pequena de calor é produzida pela fotossíntese em uma única folha e outros processos, como a transpiração, tendem a resfriar as folhas.

Biossíntese é importante incluir para reforçar a compreensão do aluno de que as moléculas orgânicas são usadas não apenas para a respiração celular, mas também para fazer as muitas moléculas orgânicas em um organismo. A equação e o diagrama a seguir fornecem informações adicionais sobre os fundamentos da biossíntese e estrutura da celulose.


n (HO – C6H10O4–OH) → H– (O – C6H10O4)n–OH + (n - 1) H2O

Os detalhes dessa reação não são importantes para nossos propósitos; a reação é incluída apenas para ilustrar um exemplo de biossíntese. O gráfico no topo da página 6 da Folha de Apoio do Aluno inclui o papel do ATP no fornecimento de energia para a biossíntese; no entanto, você pode omitir isso se achar que seus alunos entenderão melhor o argumento geral sem essa complexidade. Você pode querer mencionar reações de biossíntese adicionais que são necessárias para fazer todos os muitos tipos de moléculas em um organismo. Por exemplo, os produtores usam moléculas contendo carbono e fontes minerais de nitrogênio (por exemplo, NH4+) para fazer aminoácidos; então, os aminoácidos são unidos para formar proteínas.

No que diz respeito aos questão 13, você pode querer mencionar que as vacas não produzem enzimas que digerem a celulose; em vez disso, o rúmen de uma vaca contém bactérias que produzem as enzimas que digerem a celulose.

o princípios gerais apresentado no final da página 6 da Folha de Apoio do Aluno, será familiarizado com a conservação da matéria, a conservação da energia e as leis da termodinâmica. Você pode precisar lembrar aos alunos que a matéria (átomos) não é convertida em energia nos processos biológicos e a energia não é convertida em matéria.

4. Ciclo de carbono e fluxo de energia

Nesta seção, os alunos desenvolvem uma compreensão do ciclo do carbono e do fluxo de energia através dos ecossistemas, construindo em sua compreensão das teias alimentares e os processos de fotossíntese, respiração celular e biossíntese. Um objetivo desta seção é ajudar seus alunos a compreender o relações entre fenômenos observados em diferentes níveis organizacionais, incluindo as relações entre (1) os processos moleculares / celulares da respiração celular, fotossíntese e biossíntese, (2) efeitos no nível do organismo individual e (3) os fenômenos do nível do ecossistema do ciclo do carbono e fluxo de energia. Os alunos geralmente acham desafiador vincular sua compreensão dos fenômenos observados em diferentes níveis organizacionais, portanto, você provavelmente desejará reforçar essa compreensão nas discussões em classe sobre as questões desta seção.

o ciclo do carbono mostrado na apostila do aluno é simplificado para ajudar os alunos a compreender claramente os processos básicos do ciclo do carbono. Você pode apontar para seus alunos a seta curta rotulada “comida por animais”, que representa uma relação trófica em uma teia alimentar.

UMA visão geral mais completa do ciclo do carbono é mostrado na próxima página. Esta figura pode fornecer um ponto de partida útil para uma discussão sobre o aquecimento global (http://www.nasa.gov/feature/goddard/carbon-climate).

Para a página 8 da Folha de Apoio do Aluno, será importante ter uma discussão em classe que consolide a compreensão do aluno sobre porque a energia não pode circular.

A apostila do aluno refere-se à luz do sol como o energia de entrada para ecossistemas. Embora a luz solar seja a energia de entrada na maioria dos ecossistemas, em fontes hidrotermais profundas e rochas ricas em ferro bem abaixo da superfície da terra, a energia de entrada que os produtores primários usam é a energia química contida em compostos como amônia ou sulfeto de hidrogênio.

Para questão 18, você pode fornecer lápis de cor, canetas ou marcadores para que os alunos possam desenhar os quatro tipos de setas em cores diferentes. Se seus alunos estão familiarizados com pilhas de composto, você pode querer discutir como as pilhas de composto esquentam devido à atividade metabólica dos decompositores. Depois que os alunos completaram a pergunta 18, você pode querer salientar que algumas das setas representam processos em que a energia e os átomos de carbono se movem juntos em moléculas orgânicas, mas outras setas representam processos em que a energia se move independentemente dos átomos de carbono. Como as moléculas orgânicas contêm energia química e átomos de carbono, os átomos de energia e de carbono se movem juntos quando as moléculas orgânicas são consumidas ou quando um organismo morre e suas moléculas orgânicas se tornam parte da matéria orgânica morta. Em contraste, a luz entra em um ecossistema e o calor deixa um ecossistema independente do movimento dos átomos de carbono.

Informações básicas úteis para esta seção são fornecidas em “Fluxo de energia através dos ecossistemas” (http://www.learner.org/courses/envsci/unit/text.php?unit=4&secNum=3) e “Ciclo biogeoquímico em ecossistemas” (http : //www.learner.org/courses/envsci/unit/text.php? unit = 4 & secNum = 4).

V. Pirâmides Tróficas

Questão 20 deve ajudar os alunos a vincular sua própria experiência a fenômenos básicos que desempenham papéis importantes na determinação da forma das pirâmides tróficas. O consumo alimentar anual per capita estimado nos EUA inclui 75 libras de gorduras e óleos adicionados, 152 libras de adoçantes calóricos, 195 libras de carne e peixe, 200 libras de grãos, 593 libras de laticínios e 708 libras de frutas e vegetais (http : //www.usda.gov/factbook/chapter2.pdf). Observe que os tipos de alimentos no início desta lista possuem alta densidade calórica; os alimentos nas duas últimas categorias pesam substancialmente mais por caloria consumida, em grande parte porque contêm muita água.

Biomassa (a massa das moléculas orgânicas em um organismo) é normalmente estimada pesando um espécime seco para estimar a massa do organismo menos a massa da água no organismo.

Teias alimentares parciais para o floresta em New Hampshire discutidos nas questões 21-23 são mostrados abaixo. Nesse ecossistema florestal, apenas cerca de 5% da biomassa do produtor é consumida enquanto as plantas ainda estão vivas (a teia alimentar verde), e quase 95% é consumido somente depois que as plantas morrem (a teia alimentar marrom).

No questão 21, a taxa de produção de biomassa para os produtores é a Produção Primária Líquida, que é a matéria orgânica total produzida pelos produtores menos a quantidade usada pelos produtores para a respiração celular. Neste estudo, a proporção da Produção Primária Líquida que se tornou biomassa em consumidores primários e decompositores foi de 20%. Essa proporção é maior do que a transferência de 10% mais freqüentemente citada entre produtores e consumidores primários, principalmente porque os decompositores foram incluídos junto com os consumidores primários. Muitas estimativas de produção de biomassa no segundo nível trófico omitem os decompositores, embora os decompositores sejam uma parte muito importante do segundo nível trófico, uma vez que uma quantidade substancial de biomassa vegetal morre antes de ser consumida pelos consumidores primários.

Isso ilustra o ponto geral de que o forma de pirâmides tróficas é altamente dependente do específico metodologia usado. A taxa de produção de biomassa deve ser menor em cada nível trófico superior porque em cada nível trófico algumas moléculas orgânicas são metabolizadas na respiração celular e o carbono é perdido como CO2 é libertado. Se uma pirâmide trófica avalia o número de organismos ou a quantidade de biomassa em vez do fluxo, a pirâmide pode ter uma forma muito diferente. Por exemplo, o número de indivíduos pode ser maior para um nível trófico mais alto, e. se os organismos no nível trófico mais alto forem menores, como insetos se alimentando de árvores. Da mesma forma, pode haver mais biomassa em um nível trófico mais alto, por exemplo, se os organismos no nível trófico mais alto têm vida mais longa, como as baleias se alimentando de plâncton. Em resumo, as pirâmides tróficas para a taxa de produção de biomassa sempre apresentam a forma clássica de pirâmide. No entanto, as pirâmides tróficas para vários organismos ou para a biomassa de organismos variam em forma e tendem a mostrar a forma clássica de pirâmide apenas se organismos em níveis tróficos diferentes tiverem tamanho e longevidade semelhantes (http://www.esa.org/history/ Prêmios / artigos / Brown_JH_MA.pdf, página 1785).

Enquanto os alunos desenham o gráfico para questão 23, a barra para cada nível trófico deve estender a altura total da linha para esse nível trófico no gráfico. Assim, as diferenças na largura da barra para cada nível trófico permitirão uma comparação visual fácil da taxa de produção de biomassa nos diferentes níveis tróficos.

Ao discutir a pirâmide trófica no topo da página 11 da Folha de Apoio do Aluno, você vai querer questionar seus alunos sobre o processos biológicos que resultam em “a estimativa geral que a taxa de produção de biomassa em um nível trófico é ~10% da taxa de produção de biomassa no nível trófico imediatamente inferior ”(enfatizando novamente os pontos das questões 20 e 22). A importância relativa dos diferentes processos varia para diferentes tipos de organismos. Por exemplo, a proporção de biomassa consumida que é usada para respiração celular é de ~ 80% para esquilos vs. 33% para insetos herbívoros. (Essa diferença reflete o fato de que os esquilos são homeotérmicos, enquanto os insetos herbívoros são poiquilotérmicos; a homeotermia é metabolicamente cara.) A proporção da biomassa consumida que é perdida nas fezes é de ~ 18% para os esquilos vs. ~ 50% para os insetos herbívoros que comem sai. (As folhas têm mais celulose e outras moléculas relativamente indigeríveis do que as nozes, sementes e frutas comidas pelos esquilos). Como resultado dessas várias diferenças, a produção de biomassa para esquilos é de ~ 2% da biomassa consumida, enquanto a produção de biomassa para insetos herbívoros é de ~ 17% da biomassa consumida.

A comparação do gráfico que os alunos produzem na questão 23 com a pirâmide trófica mostrada no topo da página 11 na Folha de Apoio do Aluno ilustra o ponto geral de que uma pirâmide trófica típica não retrata com precisão quanto menor é a produtividade de biomassa em níveis tróficos mais altos. O gráfico mais preciso na pergunta 23, junto com a pergunta 24b, ajudará os alunos a entender por que cadeias alimentares são geralmente limitadas a ~ 5 níveis tróficos.

Em discussão questão 26, você pode querer mencionar que comer carne de consumidores primários em vez de comer alimentos vegetais não só requer ~ 10 vezes mais terra, mas também requer ~ 10 vezes mais água e outros recursos.

Possível atividade de acompanhamento

Esta atividade ajuda os alunos a compreender uma série de fenômenos inter-relacionados, concentrando-se nos processos e relacionamentos básicos. Para complementar essa abordagem, você pode encorajar seus alunos a pesquisar tópicos relacionados, como:

  • Teias alimentares aquáticas
  • Eutrofização como exemplo de regulação de baixo para cima
  • Ciclos de nutrientes para nitrogênio, fósforo e água
  • Aquecimento global (por exemplo, http://www.nasa.gov/feature/goddard/carbon-climate; recursos disponíveis em http://www.sciencejournalforkids.org/)
  • Biomagnificação de concentrações de poluentes orgânicos persistentes, mercúrio, etc. em níveis tróficos mais elevados
  • Outros tópicos que os alunos podem perguntar durante a atividade.

Possíveis atividades alternativas para alunos do ensino médio

Uma sequência de atividades muito completa e cuidadosamente pesquisada para ensinar alunos do ensino médio sobre ciclos de carbono e fluxos de energia está disponível através do Carbon TIME (http://ibis.colostate.edu/MSP/CTIME/TeachingUnitDashboard.php?TeachingUnitID=6#).

“Quem come o quê?” fornece uma introdução útil às cadeias alimentares para alunos do ensino médio, disponível como parte de “Eco-Inquiry” (http://www.caryinstitute.org/educators/teaching-materials/eco-inquiry).

Fontes para figuras na apostila do aluno

  • Rede alimentar na página 2 - http://www.biorewind.com/ecology/
  • Trends in Yellowstone – “Trophic cascades in Yellowstone: The first 15 years after wolf ‘s reintroduction” Biological Conservation 145 (2012): 205-213
  • Giraffe carbon cycle – http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/science/images/bi01002.gif
  • Carbon cycle and energy flow – http://carbontime.bscs.org/
  • Trophic Pyramid – http://files5.pdesas.org/118247080114254228171068116089003070092117008089/Download.ashx?hash=2.2

Beavers

Eat: Willows

Eaten by: Gray wolves

Elk

Eat: Grasses, willows, other flowering plants

Eaten by: Gray wolves, grizzly bears

Búfalo

Eat: Grasses

Eaten by: Gray wolves

Yellow-Bellied Marmots

Eat: Grasses; other flowering plants

Eaten by: Coyotes

Deer Mice

Eat: Grasses; other flowering plants

Eaten by: Coyotes

Uinta Ground Squirrels

Eat: Grasses, other flowering plants, mushrooms

Eaten by: Coyotes, grizzly bears

Minhocas

Eat: Dead organic matter, fungi, bacteria

Eaten by: American robins

Mites

Eat: Nematodes, fungi

Eaten by: Beetles

Besouros

Eat: Springtails, mites

Eaten by: American robins

Springtails

Eat: Fungi

Eaten by: Beetles

Bactérias

Consume: Dead organic matter

Eaten by: Protista, nematodes, earthworms

Nematóides

Eat: Protista, fungi, bacteria

Eaten by: Mites

Willows

Eaten by: Beavers, elk

Grasses (including seeds)

Eaten by: Bison, elk, deer mice, Uinta ground squirrels, yellow-bellied marmots

Dead Organic Matter

Consumed by: Bacteria, fungi, earthworms

Other Flowering Plants (including berries)

Eaten by: American robins, deer mice, elk, grizzly bears, Uinta ground squirrels, yellow-bellied marmots

Fungi

Consume: Dead organic matter

Eaten by: Springtails, mites, nematodes,

earthworms, Uinta ground squirrels

Algas

Eaten by: Cutthroat trout

American Robins

Eat: Earthworms, beetles, other flowering plants

Eaten by: Snakes and birds of prey (not included in this food web)

Cutthroat Trout

Eat: Algae

Eaten by: Grizzly bears

Ursos pardos

Eat: Other flowering plants, cutthroat trout, Uinta ground squirrels, elk

Protista

Eat: Bacteria

Eaten by: Nematodes

Coiotes

Eat: deer mice, Uinta ground squirrels, yellow-bellied marmots

Eaten by: Gray wolves

Gray Wolves

Eat: Elk, beavers, bison, coyotes

Simplified Partial Food Web for Yellowstone National Park


Study Notes on Food Chain

This is defined as a series of organisms through which the food energy is transferred.

In other words, the transfer of food from the plants through herbivores to carnivores is referred to as the food chain.

Each organism in the series feeds and derives energy from the preceding one, as shown in the following simple linear food chain on land.

A freshwater ecosystem has different food chains than the one described above.

A simple linear food chain in freshwater may be shown as follows:

In a freshwater ecosystem floating microscopic phytoplankton are examples of the producer class, which provide food for the primary consumers or zooplankton. The latter consist of microscopic animals and larval forms, which in turn provide food for the secondary consumers such as fish. The tertiary consumers feed on fish and they may be predatory fish, or birds, or mammals.

Food chains may be simple or complex. A simplest food chain involves essentially two links consisting of photosynthetic plants and microbes that obtain their nutrients from these plants by degrading or decaying them after their death.

Complex food chains consist of many links. For example, in the ocean, the microscopic plants of the photic zone are primarily responsible for the production of organic matter by photosynthesis. The plants and their products may be consumed r. certain unicellular or multicellular herbivorous zooplankton.

These are then ingested by other multicellular carnivorous zooplankton, which in turn may be eaten by certain worms and crustaceans. The smaller crustaceans may be devoured by small fish, which are eaten by larger fish. The latter in turn may serve as food for various birds and mammals whose eventual death and subsequent composition by microbes of decay terminates the food chain.

According to Odum, food chains are of two basic types: grazing food chain and detritus food chain. A grazing food chain starts from a green plant base and goes through grazing herbivores to carnivores. A detritus food chain starts from dead organic matter and goes through detritus – feeders to carnivores.

Food chains are not always simple and isolated but are interconnected with one another. The interlocking pattern of food chains or a matrix of food chains, with all sorts of short circuits and connections is often called the food web or food net. However, in any food web all the species not equally important and many could be removed without seriously affecting the more important species.

Thus, food web is a simplified representation of the complex interrelationships of the population of plants and animals which exist in a community (Fig. 4.2a). The basic operational principle in a food web is that each species is dependent upon at least one other species, and the numbers of each link species must be sufficient for their continued existence. If these conditions are maintained, the web will exist in an ecological nutritional equilibrium.

However, food webs are affected by changes in the environment, which may affect the food supply and reproductive rate. A food web on land is shown in (Fig. A2b). In an aquatic ecosystem a more complex food web will exist, as shown in (Fig. 4.3). This is also affected by changes in the environment, such as variations in water temperature and oxygen content as well as nutrient supply, which can reduce or increase the population of link species.

Energy Flow in Food Chains:

The transfer of the various forms of energy in a food chain is governed by the following laws of thermodynamics. The first law of thermodynamics, also known as the law of conservation of energy, states that energy may be transformed from one form (type) to another, but is never neither neither created nor destroyed. Thus radiant energy in the form of light falling on a green plant is transformed partly into chemical energy or potential energy of food. This part of the transformation is initiated by the metabolic process called photosynthesis.

The second law of thermodynamics states that non-random energy (mechanical, chemical, radiant) cannot be converted into random form (heat energy) without some degradation. Because some energy is always dispersed into unavailable heat energy, no spontaneous transformation (for example light to food) can be 100% efficient.

Therefore, when the chemical energy accumulated K the plants is converted into kinetic energy by herbivores when they consume the plants, some degradation of energy occurs through its conversion into heat. Similarly, further energy conversion and degradation will occur when the herbivore is consumed by a primary carnivore, and when the primary carnivore in turn is eaten up by a secondary carnivore.

The organisation of food chain and the working of the two laws of thermodynamics can be understood by means of a simplified energy-flow diagram (Fig. 4.4). In this diagram the “boxes” 1, 2, 3 represent the trophic levels (1: producers or autotrophs, 2: primary consumers or herbivores, 3: secondary consumers or carnivores) and the “pipes” depict the energy flow m and out of each level. Energy inflows balance outflows are required by the first law of thermodynamics, and each energy transfer is accompanied by dispersion of energy into unavailable heat (i.e. respiration) as required by the second law.

Bottom line in the diagram shows the order of magnitude of energy losses expected at major transfer points, starting with a solar input of 3000 kcl per square metre per day. (Fig.4.4) Thus, it is clear that energy flow is greatly reduced at each successive level regardless of whether we consider the total flow (1 and A) or the components P and R.

The diagram also shows the double metabolism of producers (i.e., gross and net production) and the approximately 50 per cent absorption by the plant cover and one per cent conversion of light at the first trophic level. Secondary productivity (P2, P3, in the diagram), tends to be about 10 per cent at successive consumer trophic levels, although efficiency may be higher (say 20 per cent), at the carnivore levels as shown in the diagram.

The energy flow diagram may, in principle, be applied to any ecosystem or community. As the initial amount of energy introduced into a food chain in a given habitat is limited by the duration and intensity of sunlight, there will be some point along the food chain of the habitat when this initial load of radiant energy has been transformed and finally all converted to heat energy. At this point the food chain will have reached the steady state, in which the amount of energy taken into its biological system in limit time as radiant energy exactly balances that returned as heat energy to the habitat.


Food Webs, Energy Flow, Carbon Cycle, and Trophic Pyramids

To begin this hands-on, minds-on activity, students view a video about ecosystem changes that resulted when wolves were reintroduced to Yellowstone. Then, students learn about food chains and food webs, and they construct and analyze a food web for Yellowstone National Park. Students use what they have learned to understand trophic cascades caused by the return of wolves to Yellowstone.

Next, students learn that the biosphere requires a continuous inflow of energy, but does not need an inflow of carbon atoms. To understand why, students analyze how the carbon cycle and energy flow through ecosystems result from photosynthesis, biosynthesis, cellular respiration, and the trophic relationships in food webs.

In the final section, students use the concepts they have learned to understand trophic pyramids and phenomena such as the relative population sizes for wolves vs. elk in Yellowstone. Thus, students learn how important ecological phenomena result from processes at the molecular, cellular, and organismal levels.

This activity is aligned with the Next Generation Science Standards (NGSS).

Download Student Handout: PDF format or Word format

Download Teacher Preparation Notes: PDF format or Word format

Please note that Word files display differently on different computers, so you will want to use the PDF files to see the correct formatting of the Student Handout and the images for the cards for the food web in the Teacher Preparation Notes. The first file attached below is suitable for professional printing and cutting of the cards for the food web part of the activity. The second and third attached files provide an alternative, smaller deck of cards, which you can use if you prefer a somewhat briefer, simpler food web activity.

We invite comments on this Hands-On Activity and the accompanying Teacher Preparation Notes. If you would prefer to send your comments or questions in a private message, please write Ingrid Waldron at [email protected]

See also a complete list of activities: Minds-on Activities for Teaching Biology


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Ciência

Vol 333, Issue 6040
15 July 2011

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By James A. Estes , John Terborgh , Justin S. Brashares , Mary E. Power , Joel Berger , William J. Bond , Stephen R. Carpenter , Timothy E. Essington , Robert D. Holt , Jeremy B. C. Jackson , Robert J. Marquis , Lauri Oksanen , Tarja Oksanen , Robert T. Paine , Ellen K. Pikitch , William J. Ripple , Stuart A. Sandin , Marten Scheffer , Thomas W. Schoener , Jonathan B. Shurin , Anthony R. E. Sinclair , Michael E. Soulé , Risto Virtanen , David A. Wardle

Ciência 15 Jul 2011 : 301-306


Ecology links

http://www.ncsu.edu/imse/1/ecology.htmclick on the first section if you cannot access directly from the link above.

Isto é um internacional site with mirrors in other languages. It is so huge as to be slightly overwhelming. However, it is alphabetical, well indexed, and has a separate search engine. Recommended for those questions with excellent keywords or research on a particular topic.

An Encyclopedia of links listed alphabetically. While no link is required for USABO, it is a good starting place for any teacher or student seeking additional information on a specific ecology topic. It has not been updated since 2003, so many links are no longer valid. The USA professional organization links are still functional.

Unitary and Modular Organisms:

This terminology is not indexed by Campbell but it is used at the internationals.

Modular organisms are, by definition, composed of repeated building blocks (modules, ramets, polyps, and others), which are derived asexually by vegetative (iterative) growth. In many cases, growth of the clone or colony is indeterminate, i.e., even the largest individuals continue to grow until they are injured or killed . However, longevities of modular animals and plants vary greatly, from a few months (e.g., many temperate hydroids, bryozoans, some tunicates and weedy plants) to several centuries (e.g., some corals and clonal trees).

The body of unitary organisms is a determinate structure consisting usually of a strictly defined number of parts (such as legs or wings) established only during embryogenesis. Mobile animals are examples of age-structured populations of mobile, unitary (solitary) animals.

Review papers available on the internet: NÃO need to read beyond the introductions.

A few Specific References

Generally OK but the choice of a Purvis illustrations to show the relationship between carrying capacity (k) and population density over time was not a good choice by the author. The illustration would tend to give the student the impression that population density cannot exceed k, or if so by a very small amount. In fact population density over time will oscillate around the carrying capacity of the habitat. It can go above k but of course cannot be maintained at that level, thus crashes with the population typically falling well below k, Population density will gradually build back up to around k and may remain fairly stable for a time, but invariably it will again exceed k, and so the process repeats itself over and over.


Which of the following statements is true about natural systems?

A. Consumers form the bottom levels of both the energy pyramid and the biomass pyramid.

B. Producers are at the bottom level of both the energy pyramid and the biomass pyramid.

C. Producers are at the bottom of the energy pyramid, but at the top of the biomass pyramid.

D. Consumers are at the bottom of the energy pyramid, but at the top of the biomass pyramid.


Assista o vídeo: Aluno Nota 10 - Ecologia e teia alimentar - Professor Fininho (Fevereiro 2023).