Osrganismos habitam quase todos os ambientes da Terra, desde os respiradouros quentes no fundo do oceano até aos alcances gelados do Árctico. Cada ambiente oferece tanto recursos como restrições que moldam o aparecimento das espécies que o habitam, e as estratégias que estas espécies utilizam para sobreviver e reproduzir-se. Alguns dos mais amplos padrões de diferença ambiental surgem da forma como o nosso planeta orbita o Sol e da consequente distribuição global da luz solar (Chapin et al. 2002). Nos trópicos, onde a radiação solar é abundante durante todo o ano, as temperaturas são quentes, e as plantas podem fotossintetizar continuamente, desde que haja água e nutrientes disponíveis. Nas regiões polares, onde a radiação solar é limitada sazonalmente, as temperaturas médias são muito mais baixas, e os organismos têm de lidar com períodos prolongados quando a fotossíntese cessa.
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Acruzar ecossistemas, recursos ambientais e restrições moldam a estrutura e fisiologia dos organismos. Um dos legados ambientais mais antigos da Terra é o conjunto de elementos químicos que contém (Schlesinger 1997). No seu nascimento, a Terra herdou átomos de carbono produzidos por estrelas que se queimaram muito antes de o nosso sol se formar. Estes átomos de carbono, com a sua capacidade única de construir cadeias e elos de quatro vias com outros elementos, fornecem a espinha dorsal de todas as moléculas orgânicas que constituem a vida nos dias de hoje (Figura 2). O nitrogénio e o fósforo são também elementos essenciais nos organismos vivos, onde desempenham papéis centrais na composição de proteínas, ácidos nucleicos e compostos energéticos. Estes elementos nem sempre estão prontamente disponíveis para os organismos, pelo que as limitações nutricionais podem limitar poderosamente as estratégias biológicas. Por exemplo, o gás nitrogénio inerte constitui 78% da atmosfera terrestre, mas as formas de nitrogénio facilmente utilizáveis pelos organismos são tipicamente muito mais escassas nos ecossistemas terrestres (Chapin et al. 2002). Ao longo do tempo evolutivo, simbioses que se desenvolveram entre bactérias fixadoras de azoto e plantas ajudaram a aumentar a disponibilidade de azoto em muitos ecossistemas. No entanto, dada a forte competição pelo nitrogénio e outros elementos, os ecologistas consideram que as limitações nutricionais limitam a vida em muitos ambientes (Chapin et al. 1986).
Os organismos são ainda mais moldados pelas propriedades físicas dos meios em que vivem, incluindo as densidades e temperaturas dos meios. Por exemplo, mamíferos marinhos como os leões marinhos Stellar (Eumetopias jubatus) desenvolveram corpos aerodinâmicos que se movem eficientemente através da água, que é mais de 700 vezes mais densa do que o ar, mas que os retarda em terra (Figura 3a; Riedman, 1991). Como resultado, os leões-marinhos dormem em terra, mas caçam principalmente na água, onde a sua velocidade é optimizada.
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p>Ecologistas estudam também como a temperatura influencia a ecologia e a evolução das espécies. Os organismos geralmente abrandam ou congelam quando as condições são frias, mas sobreaquecem e perdem a função à medida que as temperaturas sobem. Muitas espécies têm, portanto, características evolutivas que ajudam a proteger-se contra temperaturas extremas e a influenciar a sua ecologia. Por exemplo, enquanto os leões marinhos dependem de camadas espessas de gordura para o isolamento, as lontras marinhas (Enhydra lutris) que nadam nas mesmas águas frias dependem de peles invulgarmente espessas para reter o calor. Como resultado, as lontras do mar passam mais tempo a limpar (figura 3b), e o seu pêlo grosso atraiu caçadores que as levaram quase à extinção (Riedman 1990). Em terra, a investigação mostra que as plantas e os animais de sangue frio desenvolvem uma coloração escura e posicionam-se para maximizar o ganho de energia solar em tempo frio. Em regiões mais quentes, estudos revelam que os animais podem evitar sol intenso, enquanto as plantas se protegem ao transpirar grandes quantidades de água, maximizando o fluxo de ar através da sua folhagem, ou adormecendo até que as temperaturas mais frias regressem. Algumas adaptações de temperatura podem ser surpreendentes. Por exemplo, os cientistas descobriram recentemente que as gramíneas que crescem perto de aberturas geotérmicas ganham tolerância ao calor de um vírus dentro de um fungo dentro das suas raízes (Marquez 2007).
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Div>A disponibilidade de água dá mais forma à dinâmica ecológica na Terra. A vida precoce surgiu nos ecossistemas aquáticos, e todas as células vivas ainda necessitam de água para funcionar. A disponibilidade de água é influenciada pela temperatura, porque em climas muito frios a água é congelada e não está disponível, e em climas muito quentes a água evapora rapidamente. Estudos ecológicos sobre as relações da água descobriram que os organismos empregam uma incrível variedade de estratégias para capturar e reter os recursos hídricos. Por exemplo, no quente e abrasador deserto do Namibe da África do Sul, o escaravelho de Stenocara sobrevive capturando água de raros nevoeiros que se condensam em estruturas especiais no seu dorso (Parker et al. 2008).
A nível comunitário, os ecologistas comunitários estudam como a disponibilidade de recursos influencia as características do ecossistema, incluindo o número e os tipos de espécies presentes. Por exemplo, a quantidade de carbono e energia fixada na fotossíntese pelas plantas e outros produtores (por exemplo, produtividade) limita a quantidade de consumidores que um ecossistema pode suportar. Devido a este limite e porque se perde energia em cada etapa de transmissão através de uma teia alimentar, os ecossistemas de baixa produtividade geralmente suportam menos biomassa de consumo do que os sistemas de maior produtividade. Os ecologistas identificaram esta relação como uma das razões possíveis para que a biodiversidade seja maior nas florestas tropicais altamente produtivas do que em sistemas menos produtivos como os desertos (Gaston 2000). Dentro das comunidades, a variabilidade ambiental pode conduzir a variações complexas na dinâmica ecológica. Por exemplo, investigadores descobriram recentemente que pequenos aumentos de temperatura podem aumentar acentuadamente a agressividade de alguns peixes de recife de coral (Biro et al. 2010). Estas alterações comportamentais podem aumentar a exposição dos peixes à predação e outros riscos.
Porque o ambiente é dinâmico e diversificado, os ecologistas reconhecem que não existe um único conjunto de atributos ou estratégias ecológicas que façam de um organismo “o melhor”. Todas as populações e espécies vivas estão continuamente a mudar em resposta às pressões de outros organismos, e à variabilidade da geologia e do clima da Terra. Ao longo do tempo, esta dança de interacções evolutivas produziu uma incrível variedade de organismos que dependem uns dos outros, e competem entre si, em toda a superfície do planeta. Para reconstruir a história ecológica da Terra, cientistas ecológicos e outros investigadores procuram dados de muitos tipos, incluindo anéis de árvores que descrevem padrões antigos de seca, núcleos de gelo que contêm bolhas da atmosfera anterior da Terra, e ADN preservado em ossos de animais milenares. Estes dados mostram como os organismos responderam às mudanças ambientais, incluindo a extinção provocada pelos meteoritos que ajudou a iniciar a era dos mamíferos há 65 milhões de anos.