Modulo #1.
Parte 1 (37p)
Como funciona a natureza?
Enrique Ortega e Mileine Zanghetin
Laboratório de Engenharia Ecológica
Campinas, SP, outubro de 2008.
(Revisões: abril e julho de 2009).
www.unicamp.br/fea/ortega/
1
Conceitos básicos sobre a biosfera,
os ecossistemas e a economia humana
2
O objetivo desta apresentação é explicar o
mundo em que vivemos.
Vamos usar a abordagem sistêmica, um método
de estudo que consiste em visualizar as coisas
como partes ativas de um todo maior.
Um sistema é um conjunto de objetos
(componentes funcionais) que estabelecem
interações positivas e negativas (fluxos de
energia, materiais, informação) entre si e com o
exterior.
Todos os sistemas se relacionam entre si.
Esses relacionamentos variam de forma e de
intensidade com o tempo.
3
Interessa-nos descobrir como funcionam os
seguintes sistemas:
1. Nosso planeta,
2. A região onde vivemos,
3. As organizações humanas
para produzir e consumir.
4
Vamos aprender a desenhar sistemas,
mostrando as forças e os estoques externos,
os componentes internos e, finalmente, as
interações entre todos eles.
Usaremos a linguagem dos sistemas.
Ela foi desenvolvida pelo professor H. T. Odum
da Universidade da Florida.
Como toda linguagem ela tem símbolos e os
agrupa de maneira a expressar o sentido do
mundo que nos rodeia.
Vamos mostrar os símbolos dessa linguagem:
5
Caminho Energético:
Fluxo de energia ou materiais.
Fonte de Energia:
Energia existente nos recursos usados pelo
ecossistema, como o sol, o vento, a chuva, as
marés, as ondas nas praias, as sementes trazidas
pelo vento e as aves.
Depósito:
É um lugar onde se armazena um recurso:
biomassa florestal, solo, matéria orgânica,
água subterrânea, areia, nutrientes, etc.
Sumidouro de energia degradada:
Energia dispersada durante um processo que não
pode mais ser utilizada, como a água evaporada
durante a fotossíntese, o calor do metabolismo
animal, os mortos em uma guerra, as perdas dos
estoques internos de um sistema, etc.
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Interação:
Processo que combina diferentes tipos de energias e
materiais para produzir uma ação ou um recurso
diferente.
Produtor:
Unidade auto-catalítica que produz biomassa a partir
de energia e materiais básicos, como as plantas das
lavouras, árvores, os sítios e as fazendas.
Consumidor:
Unidade auto-catalítica que utiliza os produtos
fabricados pelos produtores. Exemplos: insetos,
microorganismos, animais da fauna local, gado,
seres humanos, cidades, países, o consumo global.
7
$
Transação:
Intercâmbio de um recurso produzido (bens ou
serviços) por outros recursos (dinheiro, energia,
materiais ou serviços prestados).
Interruptor:
Dispositivo que dispara um processo que estava
inativo. Esse processo pode ser longo ou curto,
pode se iniciar e terminar logo, como um incêndio
ou a polinização das flores.
Caixa:
Símbolo para definir os limites de um sistema, ou
de um subsistema, etc.
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Vamos fazer o diagrama de uma lavoura.
Temos que expressar como se fazem as coisas
no sítio ou na fazenda:
“o sol, a chuva, o solo e as sementes são coisas
necessárias para obter uma colheita”.
A partir dessa frase podemos fazer um desenho:
9
Na linguagem de sistemas ficaria assim:
Sementes
Sementes
Chuva
Solo e
estoques
estoques
internos
internos
Sol
Fotossíntese
Fotossíntese
Produto
Calor dispersado
10
Mas nessa unidade produtiva é necessário o
trabalho humano, bem como o trabalho do
animal que vai puxar o arado e também alguns
insumos.
Vamos incluir essas coisas no desenho:
11
Na linguagem de sistemas ficaria assim:
Sementes
Materiais
Chuva
Animais
Solo e
estoques
internos
Sol
Trabalhador
Fotossíntese
Produto
Calor dispersado
12
Para completar a representação do sistema rural,
ele deveria incluir a família que mora nesse lugar
e que consome parte da produção e também
mostrar que uma parte da produção é vendida em
troca de outras coisas úteis ou de dinheiro.
13
Sementes
Materiais
Pagamento
de insumos
Na linguagem de sistemas
ficaria assim:
Chuva
Reciclagem
Animais
diversos
Solo e
estoques
internos
Consumo
interno
Família do
agricultor
$
Dinheiro
recebido
Sol
Fotossíntese
Subprodutos
Produtos
vendidos
Resíduos TR
Resíduos
que saem
Energia dissipada no ambiente
TR = tratamento de resíduos
14
Agora vamos estudar sistemas mais complexos.
Começaremos pelo diagrama de uma semente
germinando.
Ar
Fontes externas de
energia potencial
Solo
Retro-alimentação
Água
Estoques
de recursos
essenciais da
semente
Novas partes
da planta
Produção
O2 CO2
Sol
Processo
germinativo
15
Calor de baixa intensidade
Minerais das
rochas do solo
solubilizados
Exudados biológicos com vitaminas,
hormônios vegetais, antibióticos,
enzimas, ácidos orgânicos, etc.
CO2 , O2,
N, P do ar
Raízes
Chuva
Tronco e
galhos
Açucares e
outras
substâncias
Sol
Processo
de fotossíntese
nas folhas
Flores,
frutos,
sementes
Insetos
polinizadores
Sementes
dispersadas
contendo
informação
genética
Micro
biota do
solo
O2, CO2
Biomassa para
consumidores e
decompositores
Diagrama da planta como sistema independente
16
Agora vamos fazer o diagrama do corpo humano
com seus diversos subsistemas: locomotivo
(esquelético-muscular), circulatório, endócrino,
nervoso, digestivo, respiratório.
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Sensações e
emoções
Informação
Consciência
do mundo Cerebro
Sistema
muscular
Sentidos e sistema
nervoso endócrino
Oxigênio
Ar
Comida e
água
Respiração
Ingestão
Digestão
Ações
no meio
Trabalho e
descanso
Preservação
da espécie
Reprodução
Nutrientes
Absorção
Circulação
Rins
Sistema do corpo humano
Componentes funcionais
com objetivo comum
Urina
Resíduos
Extrusão
Fezes
Suor com calor
Diagrama do ser humano como sistema autônomo,
com fluxos externos e internos e órgãos funcionais.
Acoplamento entre plantas e animais (sem o homem).
Minerais das
rochas do solo
solubilizados
Materiais que entram
no sistema
O2, N, P
do ar
Nutrientes
disponíveis
Materiais que saem
do sistema
CO2
Chuva
O2
Energia difusa
que movimenta o
ciclo material
Sol
Biomassa
vegetal
Processo
de fotossíntese
nas folhas
Biomassa
animal
Biomassa dos
decompositores
Consumidores
Resíduos
orgânicos
Decompositores
Energia degradada que sai do sistema
19
Plantas e animais se integram em um ciclo de
produção e consumo impulsionado pelas energias
que a biosfera recebe do Sol, da Lua e da Terra
(calor, gravitação, materiais, forma e informação),
A fotossíntese das plantas transforma a radiação
solar e os nutrientes básicos em biomassa vegetal
que alimenta os animais. Os decompositores usam
20
os resíduos e devolvem os nutrientes básicos.
A biomassa animal tem energia disponível que é
aproveitada por outros animais (os predadores).
Esse consumo gera uma “cadeia trófica”.
Os resíduos dos animais ainda têm um pouco de
energia disponível, a qual é aproveitada por um
grupo especial de animais: os decompositores.
Eles devolvem os nutrientes básicos ao sistema
para que o ciclo de vida possa recomeçar.
21
O mundo hoje
Minerais das
rochas do solo
solubilizados
Materiais renováveis que
entram no sistema
Materiais que saem
do sistema
Energia e materiais de
alta concentração
Energia fóssil que movimentam
Minerais
o ciclo material
O2, N, P
do ar
Nutrientes
disponíveis
N2O,
CH4, SOx
CO2
Chuva
Energia difusa
que movimenta o
ciclo material
Sol
Cidades com
industria e
comercio
O2
Biomassa
vegetal
Capacidade
de fotossíntese
aumentada pela
adição de fertilizantes
químicos
Consumidor
de recursos não
renováveis
Resíduos
tóxicos
Decompositores
Energia degradada que sai do sistema
22
As coisas mudaram muito no planeta quando a
humanidade desenvolveu a capacidade de extrair e
usar primeiro carvão e depois petróleo e gás.
O trabalho realizado pela natureza na formação
destes recursos foi muito grande (levou milhões de
anos) e por tanto sua intensidade energética é alta.
Acontece que esse trabalho biofísico não é
considerado na contabilidade econômica.
Hoje, os custos do petróleo são apenas a extração,
o transporte e o beneficiamento, por isso o petróleo
custa pouco. Durante décadas seu valor monetário
foi de 10 dólares/150 litros = 0,2 Reais/litro (aprox.)
23
Os grupos humanos podem destruir os
ecossistemas sem a ajuda da energia fóssil!
Exemplos: as civilizações Maias e Anasazi
(América do Norte), Acadiana (Mesopotâmia), a
população da ilha de Páscoa, etc.
Forças causais → Conseqüências
Derrubada de florestas, caça excessiva, uso
inadequado do solo agrícola → perda de espécies,
erosão, salinização, desertificação, diminuição da
água disponível, mudança do clima local.
Invasão de territórios → injustiça, morte,
concentração da riqueza, marginalização.
Alienação → falta de percepção do funcionamento
24
dos ecossistemas e da interferência humana.
Quando o homem usa os recursos fósseis seu
impacto ambiental aumenta muito!
O trabalho da natureza e humano é substituído pelo
trabalho de produtos químicos e máquinas a motor
com custos sociais e ambientais elevados:
Maior destruição das matas nativas = perda da
biodiversidade, diminuição da água disponível.
Desapropriação (violência social) = concentração
da riqueza, irresponsabilidade, injustiça.
Êxodo rural = marginalização (vida em favelas).
Uso de substâncias tóxicas = doenças e mortes na
lavoura, poluição (custo de tratamento caro).
Alienação = ignorância, perda do sentido da vida.
Mudanças climáticas globais= extinção da espécie!
25
Resíduos, efluentes e emissões
Os resíduos gerados pelos países industriais são
grandes e perigosos, tanto que eles os jogam no
mar ou os depositam em outros países. É a falsa
solução para evitar que suas populações vivam
cercadas por imensos lixões. Os esgotos sem
tratar vão para os rios e os oceanos.
Ao queimar o petróleo ou transformá-lo em
produtos industriais geram-se gases, muitos deles
tem efeito estufa (dióxido de carbono, metano,
óxidos de nitrogênio e enxofre) que aumentam a
absorção do calor que a Terra emite, aumentando
o Aquecimento Global.
26
Aquecimento global: situação atual e riscos futuros
Materiais renováveis que
entram no sistema
O2, N, P do ar
e minerais
solubilizados
do solo
Materiais que saem
do sistema
Nutrientes
disponíveis
Energia difusa
que movimenta o
ciclo material
Energia e materiais de
alta concentração
Energia fóssil que movimentam
Minerais
o ciclo material
N2O,
CH4, SOx
CO2
Calor
Cidades com
industria e
comercio
O2
Biomassa
vegetal
Energias
renováveis
Capacidade
de fotossíntese
aumentada pela
adição de fertilizantes
químicos
Reservas
fósseis
de C
Consumidor
de recursos não
renováveis
Resíduos
tóxicos
Decompositores
Energia degradada que sai do sistema
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A queima de energia fóssil e florestas libera grandes estoques
de CO2 e CH4 (calotas polares, geleiras, permafrost, clatratos).
Um ecossistema:
CO2, CH4, Nitrogênio
ácidos,
do ar,
metais
minerais do
pesados
solo
Animais
mi
gra
ção
Vento
processos
geológicos
escoamento
superficial
Chuva
ção
a
r
o
evap
ns
tra
o
çã
ra
pi
matéria Solo
orgânica Água
do solo
produção
primária líquida
biomassa
escoamento
superficial
Animais e
pessoas
Pessoas
Recursos
formação
geológica
Sol
vegetação
produção
primária bruta
infiltração
percolação
Água do
subsolo
28
Explicação do diagrama de um ecossistema.
A chuva, o escoamento superficial e o resultado
dos processos geológicos em outras regiões
entram no sistema para criar estoques de solo,
matéria orgânica, água e estruturas geológicas.
A vegetação local recebe a energia do sol e do
vento e utiliza os estoques de água, solo e
matéria orgânica do solo para criar um estoque
interno de biomassa. Essa vegetação fornece
alimento aos animais.
29
Por sua vez, os resíduos desses animais e da
biomassa vegetal geram matéria orgânica para o
solo. Há migração de animais.
Há intercâmbio de pessoas e produtos.
Observamos um escoamento superficial de
água que arrasta parte do estoque de solo;
vemos um fluxo de infiltração, e fluxos de
transpiração e evaporação que, graças a ação
do vento, saem do sistema.
Por último, uma parte da energia sai do sistema
como energia degradada.
30
Usina de álcool (sem mostrar impacto sócio-ambiental):
Escoamento
superficial de
água
Processos
geológicos
Combustíveis
Bens
econômicos
Chuva
Serviços
$
água
Vento
Bens
Solos
Sol
atividades
agrícolas
transporte,
processamento
$
fermentação,
destilação
$
Biocombustível
Resíduos
31
O diagrama representa uma usina de álcool de
forma simplificada. Observamos que ha um
escoamento superficial de água, que junto com a
chuva gera um estoque de água. Os processos
geológicos externos geram um estoque de solo.
O cultivo da cana, o corte, transporte, extração,
fermentação e destilação demandam: energia do
sol, água e solo, mão-de-obra, combustíveis,
produtos químicos e bens econômicos.
Se produz um resíduo (vinhoto), que é reciclado
como fertilizante na lavoura. A venda do etanol
gera um estoque de capital (dinheiro) usado para
pagar insumos, serviços externos e gerar lucro.
O sistema dispersa energia e materiais.
32
Vento
Nitrogênio
do ar,
Chuva
minerais do
solo
o
raçã
o
p
a
ev
escoamento
superficial
processos
geológicos
ns
tra
o
çã
ra
pi
matéria Solo
orgânica Água
do solo
biomassa
Sol
vegetação
produção
primária líquida
Usina de álcool mostrando
o impacto sócio-ambiental:
Animais
mi
gr a
ção
CO2, CH4,
ácidos,
metais
pesados
escoamento
superficial
Animais e
pessoas
Êxodo rural (marginalização).
Perda de espécies.
Menos água no subsolo.
Menos regulação hídrica,
biológica e climática.
Pessoas
formação
geológica
Água do
produção
infiltração
subsoloEscoamento
primária
percolação
bruta
superficial
de água
Redução do espaço
ecossistêmico de 100 para
20%: perda de funções
ambientais importantes.
Processos CombusBens
geológicos tíveis econômicos
Chuva
Serviços
$
água
Vento
Solos
Sol
Aumento do espaço destinado
ao consumo humano urbano.
Aumento da poluição química.
atividades
agrícolas
transporte,
processamento
Bens
$
fermentação,
destilação
$
Resíduos Trat.
Res.
Etanol
Efluentes
tratados
Emissões
de gases de
efeito estufa
Nitrogênio
do ar,
Chuva
minerais do
solo
o
evap
o
raçã
ns
tra
matéria Solo
orgânica Água
do solo
o
çã
ra
pi
biomassa
Sol
vegetação
processos
geológicos
Animais
produção
primária líquida
escoamento
superficial
Absorção do impacto ambiental:
Serviços ambientais a montante
Animais e
pessoas
Pessoas
formação
geológica
Água do
produção
infiltração
subsolo
primária
percolação
bruta
Escoamento
Processos CombusBens
superficial
geológicos tíveis econômicos
de água
Tratamento de resíduos e
Reciclagem
Chuva
Serviços
$
água
Vento
Solos
Sol
atividades
agrícolas
Bens
transporte,
processamento
Serviços ambientais
a jusante
$
fermentação,
destilação
$
Resíduos Trat.
Res.
Etanol
Efluentes
tratados
Emissões
de gases de
efeito estufa
Absorção do impacto social:
CO2, CH4,
ácidos,
metais
pesados
Nitrogênio
do ar,
Chuva
minerais do
solo
Vento
o
raçã
ns
tra
matéria Solo
orgânica Água
do solo
o
çã
ra
pi
Mudança do modelo de produção,
integração do metabolismo campocidade utilizando recursos renováveis
e pleno emprego
o
evap
escoamento
superficial
biomassa
Sol
vegetação
processos
geológicos
Animais
mi
gr a
ção
Vento
escoamento
superficial
mi
gr a
ção
CO2, CH4,
ácidos,
metais
pesados
produção
primária líquida
escoamento
superficial
Animais e
pessoas
Pessoas
formação
geológica
Água do
produção
infiltração
subsolo
primária
percolação
bruta
Diagrama sistêmico de uma região:
CO2, CH4,
ácidos
Metais
pesados
Combus- Bens da
economia
tíveis
Serviços
Nitrogênio
do ar,
minerais do
solo
Pessoas
Ecossistemas
naturais
Recursos
renováveis
Infraestrutura
Indústria e
comercio
Agricultura
Governo
Pessoas
$
Espaços
verdes
Resíduos
Cidade
Área de suporte
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Três áreas fazem fotossíntese: o setor agrícola,
os ecossistemas remanescentes e os jardins da
cidade. Os resíduos da indústria, do comércio e
da população são reciclados. Supõe-se que o
processo de estoque de resíduos inclui um
processo de tratamento de resíduos.
A infra-estrutura da suporte a indústria, ao
comércio e as moradias. Supõe-se que todos
cidadãos participam do governo da região. A
região vende produtos e compra combustíveis e
bens industriais, paga impostos e recebe
serviços e as pessoas circulam livremente.
O diagrama mostra um sistema não renovável,
sem pessoas no espaço rural.
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Laços de retro-alimentação nos sistemas.
Estoques não
renováveis
Cuidar do meio ambiente
Normas, gostos, necesidades
Trabalho
Biomassa,
biodiversidade
Recursos
renováveis
Ecossistemas
Cultura,
leis
Preços
Infra-estrutura
econômica,
indústria,
comércio
$
$
Consumidores
Os sistemas se auto-organizam criando laços de retroalimentação e estruturas para aproveitar a energia disponível
e realizar trabalho sistêmico.
A cultura, as leis, os preços, o trabalho, os gostos, as
necessidades sociais constituem a retro-alimentação
37
para a autonomia e a a auto-suficiência.
Primeira pausa
Em breve continuaremos.