2 Ecologia: populações, interações e fluxo de energia

O MUNDO TE CHAMA

Populações de organismos não crescem de forma contínua em muitos dos ecossistemas naturais. Em vez disso, apresentam oscilações ao longo do tempo. Por exemplo, populações de presas, como ratos, podem crescer rapidamente quando há abundância de recursos. No entanto, esse crescimento pode favorecer o aumento de predadores, como serpentes, que passam a se alimentar dessas presas. Como consequência, a população de presas diminui, o que, posteriormente, leva também à redução dos predadores. Além disso, a quantidade de energia disponível em um ecossistema limita o tamanho das populações, sendo transferida de forma decrescente entre os níveis tróficos. Esses fenômenos acabam por interligar a dinâmica populacional com relações ecológicas, interações presa–predador e o fluxo de energia e biomassa.

Figura 2.1: Mais presas podem sustentar mais predadores, mas muitos predadores podem reduzir as presas, criando oscilações no sistema ecológico.

Ao final, você será capaz de:

- explicar por que populações naturais oscilam;
- diferenciar tipos de relações ecológicas pelo comportamento dinâmico;
- relacionar fluxo de energia com tamanho populacional;
- interpretar modelos computacionais de sistemas biológicos.

MEXA ANTES DE ENTENDER

Sem preocupar-se com a teoria e os conceitos que envolvem este capítulo, “divirta-se” um pouco usando o aplicativo JSPlotly personalizado para a relação presa-predador a seguir. Sem pressa…curtindo o momento !

Figura 2.2: Aplicativo de JSPlotly para explorar a dinâmica de relação entre presa e predador. Clique com o botão direito do mouse neste LINK e abra-o numa nova aba. Ou use a tela capacitiva de seu dispositivo móvel (celular, tablet).

Agite antes de usar

O app da Figura 2.2 simula uma relação ecológica entre presas e predadores ao longo do tempo. Antes de estudar o modelo em detalhes, altere pequenos valores no código e observe como as populações respondem. Após clicar no botão add, observe que o editor de códigos traz alguns valores em seu início:

let presa = 40;
let predador = 9;

const taxaCrescimento = 0.1;
const taxaPredacao = 0.002;
const taxaMorte = 0.2;
const eficiencia = 0.0008;

Altere os parâmetros, observe as respostas do app e construa hipóteses.

Observe as populações iniciais. O sistema começa com:
```
let presa = 40;
let predador = 9;
```

A primeira representa a população de presas. A segunda representa a população de predadores.

Escolha qual população visualizar. Altere esta linha:
```
const mostrar = "presas";
```
Para observar os predadores, troque por:
```
const mostrar = "predadores";
```
Explore o crescimento das presas. Modifique:
```
const taxaCrescimento = 0.1;
```
Valores maiores fazem as presas crescerem mais rapidamente quando há alimento e espaço disponíveis.
Explore a predação. Altere:
```
const taxaPredacao = 0.002;
```
Essa taxa controla o quanto os predadores reduzem a população de presas.
Explore a morte dos predadores. Modifique:
```
const taxaMorte = 0.1;
```
Valores maiores fazem a população de predadores diminuir mais rapidamente quando há poucas presas.
Explore a eficiência ecológica. Altere:
```
const eficiencia = 0.0008;
```
Esse parâmetro indica o quanto a presença de presas contribui para o aumento dos predadores.

Agora você já está preparado para comparar cenários da relação entre presas e predadores. Assim, experimente, por exemplo:

aumentar a quantidade inicial de presas;
reduzir a quantidade inicial de predadores;
aumentar a taxa de predação;
aumentar a taxa de morte dos predadores;
trocar entre "presas" e "predadores" para comparar as curvas.

Com um pouquinho de tempo no aplicativo, você já conseguirá responder diversas perguntas, como por exemplo, se há um crescimento contínuo, se existe algum padrão de repetição, e mesmo quem “controla” quem nessa relação !

FAZENDO APARECER

No modelo proposto da Figura 2.2, duas populações interagem ao longo do tempo. Dependendo do tipo de relação ecológica, o comportamento do sistema muda significativamente. Em predação, por exemplo, há oscilações típicas entre presa e predador. Em competição, ambas as populações disputam recursos. Em mutualismo, as duas populações se beneficiam. Em parasitismo, uma se beneficia enquanto a outra é prejudicada. Use os botões do app para explorar cada cenário, e tente responder as perguntas abaixo.

O que acontece com as presas quando há muitos predadores ?
O que acontece com os predadores quando há poucas presas ?
Uma população pode crescer indefinidamente ?
O equilíbrio ecológico significa ausência de mudança ?
Há ciclos durante a relação ?
Qual população controla a outra ?

Ou seja, em resumo…

Como as interações ecológicas regulam a dinâmica das populações ao longo do tempo ?

VOLTA PRO MUNDO

Esses modelos de interação presa-predador extendem-se para além da disputa entre ratos e serpentes ilustrada ao início do capítulo. Na verdade, com a modelagem adequada, podem ser aplicados para ajudar a entender como ocorrem surtos populacionais e colapsos ecológicos, e também como se dá o controle biológico e o impacto humano em ecossistemas. Isso porque ecossistemas reais não são estáticos. A interação entre organismos e o fluxo de energia determina o equilíbrio ecológico, bem como colapsos populacionais e explosões demográficas. Um exemplo simples que você pode comprovar com o app da Figura 2.2: a retirada de predadores pode causar superpopulação de presas, levando à escassez de recursos e colapso do sistema.

Agora experimente o JSPlotly mais completo que segue. Ele simula um controle mais abrangente para o estudo das relações ecológicas, fazendo com que a “brincadeira” vá para outro nível !

Figura 2.3: As populações evoluem influenciando-se continuamente e criando padrões dinâmicos no ecossistema. JSPlotly para estudo de relações ecológicas, pirâmide de energia e biomassa. Clique com o botão direito do mouse neste LINK ou use a tela capacitiva de seu dispositivo móvel para acessar *app*.

Agite antes de usar

O app simula diferentes relações ecológicas, apresentando a evolução das populações no tempo, um diagrama de fase (relação entre espécies), e pirâmides de energia e biomassa. Ele possui 3 painéis independentes com botões para predação, competição, mutualismo, e parasitismo. Para utilizá-lo, basta clicar em uma relação ecológica, observar os três painéis, e clicar no botão de animação correspondente à relação. O app possui um menu de relações ecológicas, e apresenta gráficos de dinâmica populacional e de pirâmide de energia. O ajuste de parâmetros é feito diretamente no código, e permite:

controle de presas iniciais;
controle de predadores iniciais;
controle de crescimento da presa;
controle de taxa de predação;
controle de morte do predador;
controle de eficiência do predador.

Assim, é possível utilizar o aplicativo para explorar diversos cenários de relações ecológicas. Para um aproveitamente mais completo, siga as instruções que seguem.

Escolha o tipo de interação ecológica. Cada um representa uma forma diferente de interação entre duas populações. Use os botões:

Predação
Competição
Mutualismo
Parasitismo

Observe o gráfico principal (tempo × população) e compare o crescimento das populações, quedas abruptas, estabilização ou oscilações.
Use o botão Animar e interprete o movimento do ponto ao longo do tempo. Clique em:

Animar Predação
Animar Competição
Animar Mutualismo
Animar Parasitismo

Interprete o diagrama de fase. No gráfico da direita (população A versus população B). Esse gráfico mostra como uma população depende da outra. Quando uma cresce, a outra também cresce ou diminui ?
Analise as pirâmides ecológicas. Na parte inferior você observa energia e biomassa. Observe produtores (maior valor) e consumidores (valores menores). Por que há menos energia nos níveis superiores ?
Compare os cenários:

Predação \(\rightarrow\) oscilações cíclicas
Competição \(\rightarrow\) limitação mútua
Mutualismo \(\rightarrow\) crescimento conjunto
Parasitismo \(\rightarrow\) benefício de um e prejuízo do outro

Explore padrões e observe:

Há equilíbrio ?
Há ciclos ?
Uma população domina a outra ?
Ambas sobrevivem ?
Qual sistema gera maior biomassa ?
Qual mantém populações mais equilibradas ?
Qual colapsa mais rápido ?

Agora que você explorou o app, reflita sobre o que observou frente às questões que seguem:

Predação - algumas curvas oscilam entre presas e predadores. O que acontece com predadores quando há poucas presas ?
Competição - outras curvas oscilam ou estabilizam. A competição sempre reduz as duas populações ?
Mutualismo - outras podem crescer junto ou colapsar. No mutualismo as espécies podem crescer indefinidamente ?
Parasitismo - alguém vence em longo prazo. O parasitismo leva à extinção de uma das espécies ?

Se você chegou até aqui testando as possibilidades acima, deverá verificar que nem toda interação gera um ciclo, que nem todo sistema é estável e que relações ecológicas têm “assinaturas matemáticas” que levam à oscilação, estabilidade, ou instabilidade.

Significado dos parâmetros dos cenários ecológicos

O script da Figura 2.3 também possui uma série de parâmetros que definem os cenários ecológicos. Caso queira experimentar variações nesses parâmetros, ou mesmo a criação de outro cenário, como o comensalismo, basta modificá-los.

nome: indica o tipo de interação ecológica simulada: predação, competição, mutualismo ou parasitismo.

presa0: população inicial da primeira espécie. No cenário de predação, representa a população inicial de presas.

pred0: população inicial da segunda espécie. No cenário de predação, representa a população inicial de predadores.

rPresa Taxa de crescimento natural da população de presas, na ausência de predadores ou outras limitações fortes.

Kpresa: capacidade de suporte do ambiente para a população de presas. Representa o tamanho máximo aproximado que essa população pode atingir no ambiente.

ataque: intensidade com que predadores encontram, capturam ou consomem presas.

eficiencia: eficiência com que o consumo de presas contribui para o crescimento da população de predadores.

mortePred Taxa de mortalidade natural dos predadores quando não há alimento suficiente.

rPred: taxa de crescimento natural da segunda espécie, usada nos cenários em que ela não depende diretamente de consumir a primeira.

Kpred: capacidade de suporte do ambiente para a segunda espécie.

compAB: efeito competitivo da espécie B sobre a espécie A. Quanto maior esse valor, maior a redução do crescimento de A causada por B.

compBA: efeito competitivo da espécie A sobre a espécie B. Quanto maior esse valor, maior a redução do crescimento de B causada por A.

beneficioAB: benefício que a espécie B exerce sobre a espécie A no mutualismo.

beneficioBA: benefício que a espécie A exerce sobre a espécie B no mutualismo.

rHosp Taxa de crescimento natural do hospedeiro no cenário de parasitismo.

Khosp: capacidade de suporte do ambiente para a população de hospedeiros.

dano: intensidade do prejuízo causado pelo parasita ao hospedeiro.

ganhoPar: ganho populacional do parasita associado à exploração do hospedeiro.

mortalidadePar: taxa de mortalidade natural do parasita quando sua manutenção não é compensada pelo hospedeiro.

E SE…

Agora pare um pouquinho para refletir sobre situações experimentadas da vida planetária ou criadas em sua mente, e nas quais as relações ecológicas são golpeadas por situações críticas. Algumas são passíveis de teste pelos aplicativos desse capítulo, outras não. Vão aí alguma ideias…

E se não houvesse limite de recursos ?
E se uma das espécies desaparecesse ?
E se não houvesse perda de energia entre níveis tróficos ?
E se existissem apenas produtores ?
E se dois predadores competissem pela mesma presa ?
E se a taxa de crescimento fosse muito alta ?
E se a taxa de crescimento

Dessa forma, pode-se resumir o tema de relações ecológicas abordado aqui em função do perfil esperado pela dinâmica das curvas encontradas nessas interações. A presa cresce proporcionalmente à sua população, enquanto o predador depende da presa para crescer. Nesse caso, a interação reduz a presa e favorece o predador, e tudo limitado pela energia disponível nessa interação. Ou seja, se as curvas oscilam, tem-se um sistema presa-predador clássico. Se as curvas estabilizam, uma provável competição com equilíbrio. E se as curvas crescem juntas, mutualismo reinando !

MESMO PADRÃO, OUTROS MUNDOS

Os conceitos deste capítulo também são aplicados em situação distintas em outros temas da Biologia. Modelos semelhantes são encontrados no crescimento bacteriano em cultura, na dinâmica de insetos em plantações, no controle biológico de pragas agrícolas (competição / parasitismo), no equilíbrio de cadeias alimentares (predação), e nas interações simbióticas entre alguns organismos (mutualismo), tais como as observadas em líquens (algas e musgos) e no cultivo de quefir e kombucha, dois probióticos da medicina popular. Além disso, os modelos matemáticos por detrás dessas relações são comumente aplicados em áreas bem diversas, como em alguns sistemas dinâmicos da Física e no comportamento de soluções da Química.

POR DENTRO DA FERRAMENTA

Esse espaço é dedicado para inserir o pensamento computacional plugado ao longo dos capítulos, e de propiciar algumas explicações que estão por detrás das competências digitais que você alcançou mesmo sem perceber ao longo dos temas. Para isso, é fornecido abaixo uma lógica de código explicitada na forma de um pseudocódigo, e que traduz o que um script de JSPlotly realiza para produzir um objeto interativo. Para essa seção, ilustra-se o objeto da Figura 2.2, por ser mais simples de compreender.

Esse JSPlotly personalizado trabalha em cima do crescimento logístico (limite ambiental), das interações entre espécies, e da transferência de energia entre níveis tróficos. Para isso, o modelo utilizado baseia-se em interações dinâmicas entre populações. Em termos simplificados, a ideia é:

Para cada instante de tempo:
  calcular crescimento da presa
  calcular efeito da predação
  calcular crescimento do predador
  atualizar populações
  calcular energia disponível