apostila FGF-Introdução às Ciencias Ambientais, Notas de estudo de Engenharia Ambiental

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Introdução às Ciências Ambientais

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Elaborado por:

Melina Martha Baumgarten

Produção:

Equipe Técnica de Avaliação, Revisão Linguística e Editoração

VERSÃO 1_

Pós-Graduação a Distância

• Apresentação
• Organização do Caderno de Estudos e Pesquisa
• Organização da Disciplina
• Introdução
• Unidade I – Ecologia..................................................................................................................................
  • Capítulo 1 – Matéria e Energia
  • Capítulo 2 – Conceitos Básicos de Ecologia
  • Capítulo 3 – Ecossistemas
  • Capítulo 4 – Biodiversidade
• Unidade II – Problemática Ambiental
  • Capítulo 5 – Breve Histórico sobre a Problemática Ambiental
  • Capítulo 6 – Desenvolvimento Sustentável
  • Capítulo 7 – Mudanças Climáticas e o Protocolo de Kyoto
  • Capítulo 8 – Responsabilidade Social
  • Capítulo 9 – Considerações Éticas
• Referências

Pós-Graduação a Distância

Organização do Caderno de Estudos e Pesquisa

Organização do Caderno de Estudos e Pesquisa

Apresentação: Mensagem da Coordenação do PosEAD ao cursista.

Organização da Disciplina : Apresentação dos objetivos e carga horária das unidades.

Introdução : Contextualização do estudo a ser desenvolvido pelo aluno na disciplina, indicando a importância desta para a sua formação acadêmica.

Ícones utilizados no material didático:

Provocação : Pensamentos inseridos no material didático para provocar a reflexão sobre sua prática e seus sentimentos ao desenvolver os estudos em cada disciplina.

Para refletir : Questões inseridas durante o estudo da disciplina, para estimulá-lo a pensar a respeito do assunto proposto. Registre aqui a sua visão, sem se preocupar com o conteúdo do texto. O importante é verificar seus conhecimentos, suas experiências e seus sentimentos. É fundamental que você reflita sobre as questões propostas. Elas são o ponto de partida de nosso trabalho.

Textos para leitura complementar : Novos textos, trechos de textos referenciais, conceitos de dicionários, exemplos e sugestões, para apresentar novas visões sobre o tema abordado no texto básico.

Sintetizando e enriquecendo nossas informações : Espaço para você fazer uma síntese dos textos e enriquecê-los com a sua contribuição pessoal.

Sugestão de leituras, filmes, sites e pesquisas : Aprofundamento das discussões.

Praticando : Atividades sugeridas, no decorrer das leituras, com o objetivo pedagógico de fortalecer o processo de aprendizagem.

Para (não) finalizar : Texto, ao final do Caderno, com a intenção de instigá-lo a prosseguir na reflexão.

Referências : Bibliografia citada para a elaboração do curso.

Introdução às Ciências Ambientais

Organização da Disciplina

Ementa:

Conceitos básicos de ecologia, ecossitemas, diversidade biológica e fluxo de energia nas cadeias alimentares. Princípios gerais da sustentabilidade, qualidade de vida, racionalidade e ética ambiental, preservação, utilização dos recursos naturais e a responsabilidade social.

Objetivos:

• Obter conhecimentos básicos relacionados ao meio ambiente.
• Conceituar ecologia, biodiversidade, ecossistemas e fluxo de energia.
• Conhecer os princípios gerais de sustentabilidade, qualidade de vida, racionalidade e ética ambiental, preservação, utilização dos recursos naturais e a responsabilidade social.

Unidade I – Ecologia

Carga horária: 25 horas

Conteúdo Capítulo Matéria e Energia 1 Conceitos Básicos de Ecologia 2 Ecossistemas 3 Biodiversidade 4

Unidade II – Problemática Ambiental

Carga horária: 15 horas

Conteúdo Capítulo Breve Histórico sobre a Problemática Ambiental 5 Desenvolvimento Sustentável 6 Mudanças Climáticas e o Protocolo de Kyoto 7 Responsabilidade Social 8 Considerações Éticas 9

Introdução às Ciências Ambientais

Pós-Graduação a Distância

Ecologia

Capítulo 1 – Matéria e Energia

Principais Ideias Abordadas

• A matéria é feita de elementos e compostos que, por sua vez, são constituídos de átomos, íons ou moléculas.
• Quando ocorre uma alteração física ou química, nenhum átomo é criado ou destruído. Este é o princípio da lei de conservação da matéria. - Primeira lei da termodinâmica: não é possível criar ou destruir energia quando ela é convertida de uma forma para outra em alterações físicas ou químicas. - Segunda lei da termodinâmica: todas as vezes que a energia é alterada de uma forma para outra, terminamos sempre com menos energia utilizável do que quando começamos.

Matéria e energia são os componentes do Universo. Pelo menos, a ciência não encontrou nenhum outro componente até hoje.

A matéria inclui os materiais presentes no Universo: a água, o ar, a rocha e tudo o que é vivo. Tudo que é sólido, líquido ou gasoso é matéria. Uma boa maneira de obtermos um conceito para matéria é utilizarmos as propriedades que a descrevem. Uma definição frequentemente utilizada para matéria é: “matéria é qualquer coisa que tenha massa”. A massa de uma substância é a medida da quantidade de matéria nela contida. As medidas de massa são baseadas no quilograma/massa, depositado no Bureau Internacional de Pesos e Medidas , na França. A massa de uma substância não varia com a temperatura, pressão ou localização no espaço.

A matéria é feita de elementos químicos, que são as unidades de construção, e de compostos, que são dois ou mais elementos diferentes unidos em proporções fixas através de ligações químicas. Os símbolos químicos representam cada elemento por uma ou duas letras. Como exemplos: hidrogênio (H), carbono (C), sódio (Na) e assim por diante. A matéria é formada por átomos (unidade básica da matéria), íons (átomos ou combinação de átomos carregados eletricamente) e compostos (substâncias que contêm átomos ou íons de mais de um elemento unidos por ligações químicas). Os compostos são representados pelas fórmulas químicas, como H 2 0 (água) e C 6 H 12 O 2 (glicose).

Ecologia

Unidade I Unidade I

Pós-Graduação a Distância

Ecologia

Leis da termodinâmica

As leis da termodinâmica governam as transformações físicas e químicas nos sistemas biológicos. São regras básicas da natureza. A primeira lei da termodinâmica (ou lei da conservação da energia) diz que: “em todas as alterações físicas ou químicas, a energia não é criada nem destruída, embora possa ser convertida de uma forma em outra”. Em outras palavras, não podemos obter mais energia de um sistema do que podemos fornecer.

Apesar de a primeira lei da termodinâmica declarar que não é possível criar nem destruir energia, quando ligamos uma lanterna com lâmpada incandescente (e de pilha comum) e a utilizamos até apagar, observamos que algo se perdeu. Perdeu-se justamente a qualidade da energia, ou seja, a quantidade de energia disponível que pode realizar trabalho útil. Muitos experimentos mostraram que, quando a energia muda de uma forma para outra, ocorre uma diminuição na capacidade da energia de realizar trabalho útil. Isso nos leva à segunda lei da termodinâmica: “quando uma energia muda de uma forma para outra, alguma quantidade de energia útil sempre se degrada em energia de mais baixa qualidade, mais dispersa e menos útil”.

No exemplo da lâmpada da lanterna, a energia dos elétrons em movimento flui através dos filamentos da lâmpada e transforma-se em cerca de 5% de energia útil e 95% de calor de baixa qualidade que flui no ambiente.

Em sistemas vivos, ao longo das cadeias tróficas, como veremos mais adiante, a energia do sol é convertida em energia química e depois em energia mecânica. Durante cada conversão, a energia de alta qualidade é degradada e se dispersa no ambiente na forma de calor de baixa qualidade.

Por esta razão, entendemos, através da segunda lei da termodinâmica, que não podemos reciclar ou reutilizar energia de alta qualidade para realizar trabalhos úteis. Uma vez que a energia concentrada em um alimento, num combustível ou num pedaço de carvão é liberada, degrada-se em calor de baixa qualidade que é disperso no ambiente.

A produtividade de energia é a medida da quantidade de trabalho útil realizada por uma entrada particular de energia em algum sistema. E existem muitas possibilidades de se melhorar a eficiência da energia. Estima-se que menos de 20% da energia utilizada nos Estados Unidos é efetivamente transformada em trabalho útil. Os 84% restantes são desperdiçados devido à segunda lei da termodinâmica (41%) ou gastos desnecessariamente (43%) (segundo Miller Jr., 2007).

A lição: uma forma rápida e barata de obter mais energia é não desperdiçar mais da metade da energia que utilizamos. Pense no que você faz para diminuir este desperdício. Pequenas atitudes fazem, sim, a diferença!

Ainda segundo Miller Jr. (2007), a economia dos países cresce convertendo os recursos globais em bens e serviços e gerando resíduos, poluição e calor de baixa qualidade no ambiente. A maioria dos países industrializados apresenta economias de alta produtividade (e também alto desperdício). Como consequência, o consumo dos recursos deverá exceder a capacidade de o ambiente diluir e degradar a matéria residual e absorver o calor residual. Uma maneira de diminuir a velocidade do uso dos recursos e reduzir o impacto ao ambiente, em uma economia de alta produtividade, é praticar uma economia de reciclagem e reaproveitamento da matéria. Sem esquecer que as leis da termodinâmica determinam que a reciclagem e o reaproveitamento dos recursos requerem sempre a utilização da energia de alta qualidade, que não é reciclável.

Se nós conseguirmos diminuir o desperdício de matéria e energia, incorporarmos um pouco de simplicidade nas necessidades cotidianas, incentivarmos a reciclagem e o aproveitamento da matéria e controlarmos o crescimento da população, estaremos no caminho de uma economia de baixa produtividade e sustentável.

Unidade I

Introdução às Ciências Ambientais

Ecologia

Capítulo 2 – Conceitos Básicos de Ecologia

Principais Ideias Abordadas

• O que é ecologia?
• Conceitos de população, comunidade, ecossistema.
• O que sustenta a vida na Terra?
• Princípios gerais da ecologia (segundo Ricklefs, 1993):

“sistemas ecológicos funcionam de acordo com as leis da termodinâmica;

o meio ambiente físico exerce uma influência controladora na produtividade dos sistemas ecológicos;

a estrutura e a dinâmica das comunidades ecológicas são reguladas pelos processos populacionais;

através das gerações, os organismos respondem às mudanças no meio ambiente pela evolução dentro das populações.”

O que é ecologia?

Ecologia (do grego oikos , “casa” ou “lugar para morar”; e logos , “estudo de”) é a ciência que estuda como os organismos interagem entre si e com o meio ambiente. Em outras palavras, podemos dizer que ecologia é a ciência que investiga as conexões da natureza.

Níveis de organização

A unidade fundamental da ecologia é o organismo. Um organismo pode ser definido como qualquer forma de vida. A estrutura e funcionamento do organismo são determinados por um conjunto de instruções genéticas herdadas de seus pais e por influências do meio ambiente nos quais o organismo vive. Todo organismo troca energia e matéria com seu meio. O seu sucesso depende dele ter um balanço positivo de energia e matéria que sustentem a sua manutenção, crescimento e reprodução.

Ao longo de suas vidas, os organismos transformam energia e matéria à medida que metabolizam, crescem e se reproduzem. Deste modo, eles modificam as condições do ambiente, utilizando e controlando a quantidade de recursos, e contribuem para o fluxo de energia e para a reciclagem de elementos na natureza.

Unidade I

Introdução às Ciências Ambientais

Ecologia

tão diversificada hoje. Segundo ela o processo de mudança acontece através da seleção natural, que nada mais é do que a sobrevivência diferencial de indivíduos. Em outras palavras, a seleção natural ocorre quando alguns indivíduos de uma população apresentam características determinadas geneticamente que aumentam as suas chances de sobrevivência e sua capacidade de produzir descendentes com as mesmas características.

Existem três condições necessárias para a evolução de uma população através da seleção natural. Primeiro, a existência de variabilidade genética para uma característica na população. Segundo, essa carcterística deve ser hereditária (capaz de ser transmitida de uma geração para outra). E, por último, deve permitir que os organismos que possuem a característica vantajosa deixem mais descendentes que os outros membros da população.

Os biólogos utilizam o termo microevolução para descrever pequenas mudanças genéticas que ocorrem em uma população. E empregam o termo macroevolução para designar mudanças evolutivas em larga escala e de longo prazo, pelas quais novas espécies surgem.

O processo de microevolução pode ser resumido da seguinte maneira: os genes sofrem mutação ao acaso, os indivíduos são selecionados e as populações evoluem.

Sugestão de leitura

O gene egoísta de Richard Dawkins.

Algumas palavras sobre ecologia humana

O enorme consumo dos recursos naturais e produção de rejeitos, por parte da nossa espécie causou principalmente dois problemas interligados de dimensões globais. O primeiro é o impacto das atividades humanas nos sistemas naturais (incluindo a interrupção de processos ecológicos e a exterminação de espécies). O segundo é a firme deterioração do meio ambiente humano à medida que nós cruzamos os limites do desenvolvimento sustentável. A compreensão dos princípios ecológicos é essencial para lidar com esses problemas.

O homem, muitas vezes, mete os pés pelas mãos na tentativa de resolver os problemas sem levar em consideração conceitos básicos de ecologia. Vejamos o exemplo, comentado por E. Wilson em seu livro “ A diversidade da vida ”, dos peixes ciclídeos no lago Vitória. Há vários anos, a perca do Nilo (uma espécie de peixe de carne saborosa) foi introduzida neste lago situado no leste da África. Isto foi feito com o propósito bem intencionado de proporcionar comida adicional para os moradores da região e uma receita adicional para a balança comercial. O resultado foi a virtual destruição de toda a pesca do lago. Até a introdução da espécie exótica, o lago Vitória sustentava peixes endêmicos de várias espécies, em sua maioria ciclídeos (peixes pertencentes à família Cichlidae , os quais se alimentavam principalmente de plantas e detritos. A perca do Nilo é piscívora (come peixes). E como veremos mais adiante, quando comentarmos sobre o funcionamento do ecossistema, peixes predatórios não podem ser produzidos numa taxa tão alta quanto as espécies herbívoras. Antes da introdução da perca do Nilo, a pesca no lago já estava superexplorada. Contudo, a solução apropriada teria sido um melhor gerenciamento dos ciclídeos, e nunca a introdução de um predador eficiente sobre eles.

Com a crise de um desenvolvimento populacional muito rápido e uma aceleração da deterioração do meio ambiente terrestre, a ecologia assumiu importância extrema. A administração dos recursos bióticos, de uma forma que sustente uma razoável qualidade de vida humana, depende da sábia aplicação de princípios ecológicos, não meramente para resolver ou prevenir problemas ambientais, mas também para instruir nossos pensamentos e práticas econômicas, políticas e sociais. R.E. Ricklefs.

Unidade I

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Ecologia

Capítulo 3 – Ecossistemas

Principais Ideias Abordadas

• O que acontece com a energia em um ecossistema?
• O que são solos e como são formados?
• O que acontece com a matéria em um ecossistema?

Energia no ecossistema

A vida existe na Terra em sistemas terrestres denominados biomas e em zonas de vida aquática nas águas doces e nos oceanos. As espécies vivem sob condições físicas distintas, e a sua tolerância em relação às variações do ambiente também variam de espécie para espécie. Neste sentido, o que determina a abundância e distribuição das espécies é essa tolerância em relação às características físicas e químicas, além das interações entre as espécies e a disponibilidade de recursos. Além disso, fatores hídricos também podem influenciar a ocorrência ou não de determinadas espécies em um ambiente. Muitas espécies podem não ocorrer em determinadas regiões simplesmente por nunca terem conseguido chegar lá.

Como vimos, os ecossistemas são o resultado das interações entre as comunidades e os elementos abióticos de uma área específica. Os fatores abióticos são a quantidade de energia solar, a temperatura, o ar, clima, quantidade de recursos hídricos, características do solo, etc. Dois fatores de extrema importância na ecologia são o fluxo de energia e a circulação de nutrientes nos ecossistemas. Para entender como a energia e os nutrientes se movimentam através do ecossistema é preciso entender como os organismos vivem.

Os organismos produzem ou consomem alimentos. Os produtores, também chamados de autótrofos, fabricam seu próprio alimento utilizando compostos obtidos no meio ambiente. As plantas verdes são a maioria dos produtores. Transformam a energia solar em energia química, formando compostos complexos como a glicose através da fotossíntese. A reação geral da fotossíntese pode ser resumida da seguinte forma:

Dióxido de carbono + água + energia solar  glicose + óxigênio (6CO 2 + 6H 2 O + energia solar  C 6 H 12 O 2 + O 2 )

Pelo processo da quimiossíntese , bactérias especializadas são capazes de converter, sem a luz solar, simples compostos do ambiente em compostos de nutrientes mais complexos.

Os demais organismos do ecossistema são consumidores, também chamados de heterótrofos, e obtêm energia e nutrientes alimentando-se de outros organismos ou restos orgânicos. Os decompositores são consumidores especializados que reciclam matéria orgânica nos ecossistemas. São em sua maioria fungos e bactérias que decompõem material orgânico morto ou detrito para obter nutrientes. Essa atividade libera compostos inorgânicos no ambiente que serão utilizados pelos produtores, completando o ciclo.

Produtores, consumidores e decompositores utilizam a energia química armazenada na glicose e em outros compostos orgânicos para manter seus processos vitais. Na maioria das células, essa energia é liberada pela respiração aeróbica ,

Unidade I

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Ecologia

ATIVIDADE

Faça uma pesquisa sobre os ciclos biogeoquímicos. Pense e dê exemplos de como o homem afeta estes ciclos.

Unidade I

Introdução às Ciências Ambientais

Ecologia

Capítulo 4 – Biodiversidade

Você sabe quantas espécies existem no nosso planeta? Esta pergunta ainda não tem uma resposta precisa. Até os dias de hoje, aproximadamente 1,4 milhões de espécies vivas foram descritas. Destas, 750 mil são insetos, 41.000 são vertebrados e 250.000 são plantas. No entanto, não sabemos a que porcentagem estas espécies já descritas equivalem em relação ao número do total de espécies existentes atualmente. E. Wilson, em seu livro Biodiversidade (1988), estima que o número de espécies existentes esteja entre 5 e 30 milhões de espécies. Certamente, encontrar e descrever um número tão grande de espécies requer muito trabalho por parte dos cientistas. Além disso, muitas espécies irão desaparecer antes mesmo de serem encontradas ou reconhecidas.

As maiores ameaças à diversidade biológica que resultam da atividade humana são: a destruição, a fragmentação, a degradação do habitat , superexploração das espécies, introdução de espécies exóticas e o aumento de ocorrência de doenças. Estas ameaças são causadas pelo uso crescente dos recursos naturais por uma população humana em expansão exponencial. A grande destruição de comunidades biológicas ocorreu durante os últimos 150 anos, quando a população humana cresceu de 1 bilhão em 1850, para 2 bilhões em 1930, chegando a 6 bilhões estimados em 1998.

O que é diversidade biológica?

A definição de diversidade biológica dada pelo Fundo Nacional para a Natureza (1989) é “a riqueza da vida na Terra, os milhões de plantas, animais e microrganismos, os genes que eles contêm e os intrincados ecossistemas que eles ajudam a construir no meio ambiente”. Por esta definição, a diversidade biológica deve ser considerada em três níveis: no nível das espécies (diversidade de espécies), na variação genética dentro das espécies (diversidade genética) e no nível das comunidades e ecossistemas (diversidade ecológica). Todos os níveis da diversidade biológica são necessários para a sobrevivência das espécies e das comunidades naturais.

Por que conservar a biodiversidade?

Os processos ecológicos garantem a biodiversidade na Terra e estão por trás de todos os serviços que a natureza nos presta. Mas que serviços são esses? Vamos responder a esta pergunta utilizando um exemplo aplicado por alguns autores na literatura sobre biodiversidade. Imagine que você tem a oportunidade de ir morar em outro planeta e ter uma boa vida por lá. Para simplificar, este novo planeta possui atmosfera e clima similar ao nosso, aqui na Terra. Você está arrumando a sua mudança e agora precisa escolher quais, entre as milhões de espécies existentes, levará consigo. Sendo pragmático, você começa a sua lista escolhendo espécies que podem ser diretamente exploradas e que fornecerão alimentos, fibras, madeira e remédios. Neste ponto, sua lista já pode ter centenas de espécies. Mas, refletindo um pouco mais, você perceberá que precisa adicionar à sua lista espécies que garantam a sobrevivência daquelas que você já escolheu. Mas que espécies são essas? Não há uma resposta para esta pergunta. Ninguém sabe quais e quantas espécies são necessárias para sustentar a vida humana.

Você poderia tentar outro enfoque para a sua lista de espécies a levar para o planeta enumerando quais os serviços ambientais que você imagina precisar no seu novo planeta, tais como: purificação da água, ciclagem de nutrientes, geração e manutenção da fertilidade do solo, decomposição do lixo, polinização de espécies utilizáveis na alimentação, controle de pragas e doenças, dispersão de sementes e proteção contra os raios ultravioletas. Quantas espécies seriam necessárias para garantir esses serviços? Quantas espécies, por exemplo, são necessárias para a manutenção da fertilidade do solo? Em um metro quadrado de solo, podemos encontrar espécies de protozoários, algas, fungos, bactérias, insetos, minhocas, entre outras. Que espécies levar? A esta altura, parece que o melhor mesmo é continuar aqui na velha e boa Terra…

Unidade I