Ecologia Isotópica consiste na quantificação de isótopos estáveis que ocorrem naturalmente em material biológico a fim de investigar diversos aspectos do organismo em estudo. Pesquisas baseadas nesse método têm se tornado cada vez mais prevalentes, sendo utilizadas em fisiologia, ecologia e ciências atmosféricas para descobertas desde nível molecular até no âmbito de interações ecológicas HOBSON, Keith A.; WASSENAAR, Len I. Stable isotope ecology: an introduction. Oecologia, Berlin, v. 120, p. 312-313, 1999.. Essa área do conhecimento se baseia na identificação de assinatura isotópica, ou seja, a abundância de certos isótopos estáveis e elementos químicos dentro de compostos orgânicos e inorgânicos. A análise isotópica pode ser usada para entender o fluxo de energia através de uma teia alimentar, para reconstruir as condições ambientais e climáticas passadas, para investigar dietas humanas e animais, para a autenticação de alimentos e uma variedade de outras práticas físicas, geológicas, paleontológicas e químicas. Razões de isótopos estáveis são medidas usando espectrometria de massa, que separa os diferentes isótopos de um elemento com base em suas razões massa-carga.
Isótopos Cada elemento químico é definido pelo número de prótons (Z) presente no núcleo de seu átomo. O número de nêutrons (N) presente dentro do núcleo pode variar, dessa forma alterando a massa atômica do elemento (A = N + Z) CAXITO, Fabrício A.; SILVA, Almir Vieira. Isótopos estáveis: fundamentos e técnicas aplicadas à caracterização e proveniência geográfica de produtos alimentícios. Geonomos, Belo Horizonte, v. 23, n. 1, p. 1-12, 2015. DOI: 10.18285/geonomos.v23i1.657. Isótopos são átomos de um mesmo elemento cujo núcleo contém um mesmo número de prótons (Z), porém um número diferente de nêutrons (N) e, consequentemente, massas diferentes . Na realidade, quase todos os elementos químicos existem como uma mistura de isótopos, na qual normalmente um isótopo mais leve (com menor massa) predomina amplamente em proporção natural .
Um conceito interno ao de isótopos é o de isótopos estáveis, que são aqueles que ocorrem de forma comum na natureza, em contraste com os isótopos radioativos, que são instáveis e dessa forma transformam-se ao longo do tempo em elementos mais estáveis. Esse processo de conversão dos elementos em formas mais estáveis é conhecido como decaimento radioativo. Os isótopos resultantes do decaimento reativo de outros elementos são conhecidos como isótopos radiogênicos. Como o processo de decaimento radioativo acontece a taxas constantes, os isótopos radiogênicos têm ampla aplicação como geocronômetros, onde são utilizadas as proporções entre isótopos filho e isótopos pai para estimar o tempo decorrido desde o princípio do decaimento.
Relação de Isótopos com Tecidos Orgânicos Oxigênio isotópico é incorporado no corpo principalmente através da ingestão ao ponto em que é usado na formação de, para fins arqueológicos, ossos e dentes. O oxigênio é incorporado à apatita hidroxilcarbônica do osso e esmalte dentário. Osso é continuamente remodelado ao longo da vida de um indivíduo. Embora a taxa de turnover de oxigênio isotópico em hidroxiapatita não é totalmente conhecido, presume-se que seja semelhante ao de colágeno; aproximadamente 10 anos. Consequentemente, se um indivíduo permanecer em uma região por 10 anos ou mais, as razões isotópicas do oxigênio no osso, a hidroxiapatita refletiria as taxas de oxigênio presentes naquela região. Dentes não estão sujeitos a remodelação contínua e, portanto, suas razões isotópicas de oxigênio permanecem constantes desde o momento da formação. As razões isotópicas de oxigênio dos dentes, então, representam as proporções na região em que o indivíduo nasceu e cresceu. Na presença de dentes decíduos, também é possível determinar a idade em que a criança foi desmamada. A produção de leite materno se baseia na água corporal da mãe, que tem níveis mais elevados de 18O devido à perda preferencial de 16O pelo suor, urina e vapor d'água expirado. Embora os dentes sejam mais resistentes a mudanças químicas e físicas ao longo do tempo, ambos estão sujeitos a processos pós-deposicionais diagênese. Como tal, a análise isotópica faz uso dos grupo fosfato mais resistentes, ao invés do menos abundante grupo hidroxila ou os grupos diagenéticos carbonato mais prováveis presentes.
Aplicações Medir a quantidade de isótopos estáveis em materiais vivos e na natureza virou uma das formas mais eficientes de entender como os ecossistemas funcionam e mudam ao longo do tempo. Na ecologia, essa técnica funciona porque os elementos químicos dos nutrientes mudam de proporção de forma previsível através de processos físicos e biológicos. Essas mudanças criam mapas de gradientes isotópicos (chamados de isoscapes), que servem para rastrear a origem e o movimento de animais e nutrientes por diferentes ambientes.
No passado, o uso de isótopos era mais comum em áreas como arqueologia, antropologia e ciências da Terra. Nas últimas três décadas, a técnica cresceu muito na ecologia e no estudo de animais graças ao avanço da tecnologia. O primeiro grande salto foi a criação da espectrometria de massa de fluxo contínuo, que permitiu levar as análises dos laboratórios especializados para o trabalho de campo. Depois, surgiram as análises a laser e a análise de compostos específicos (CSIA) em macronutrientes, que aumentaram a precisão dos resultados. Além disso, o desenvolvimento de modelos matemáticos e programas de código aberto (na linguagem R) facilitou a análise estatística desses dados.
Carbono O carbono entra nas cadeias alimentares por meio das plantas e algas (produtores primários). As variações nos valores de δ13C dependem principalmente do tipo de fotossíntese da planta (C3, C4 ou CAM), da sua respiração e de como ela usa a água. Fatores ambientais como umidade do solo, quantidade de luz, salinidade e nível de CO2 no ar também alteram o carbono da planta. Por isso, o δ13C ajuda a entender o clima do passado; analisar os anéis de crescimento das árvores, por exemplo, permite reconstruir o clima antigo de uma região. O carbono também ajuda a diferenciar o ambiente marinho do terrestre. Na água, ele serve para distinguir organismos que vivem no fundo (bentônicos) daqueles que vivem na água aberta (pelágicos), além de indicar a velocidade da correnteza. No mar, variações de temperatura e crescimento de algas criam padrões de carbono que mudam de acordo com a latitude. Nos animais, o carbono dos tecidos vem de tudo o que eles comem. Como as gorduras (lipídeos) têm menos 13C do que outros tecidos, elas precisam ser avaliadas com cuidado. O carbono também serve para identificar quais fontes de alimento sustentam uma cadeia alimentar, e medir o CO2 na respiração do animal mostra qual nutriente ele está queimando para gerar energia.
Nitrogênio O nitrogênio funciona de forma mais complexa na natureza do que o carbono. Embora o nitrogênio do ar seja uniforme, ele precisa ser fixado por bactérias e passa por várias transformações no solo e na água, o que cria valores diferentes em cada local. Além disso, a poluição humana e o uso de fertilizantes químicos alteraram bastante os níveis de nitrogênio nos ecossistemas atuais. Na ecologia animal, o δ15N é a principal ferramenta para descobrir a posição de um animal na cadeia alimentar, pois a quantidade de 15N aumenta de forma previsível a cada degrau da cadeia (fatores de enriquecimento trófico). Esse aumento varia dependendo de como o animal elimina a urina, do tipo de dieta e do tecido analisado. Hoje, analisar o nitrogênio nos tecidos totais ou em aminoácidos específicos é a melhor forma de mapear a dieta e as cadeias alimentares.
Enxofre O enxofre é excelente para separar o fluxo de nutrientes entre a terra e o mar, já que esses dois ambientes têm valores de δ34S muito diferentes. Dentro do mar, ele ajuda a saber se um animal se alimenta no fundo ou na água aberta. Em áreas costeiras e manguezais, o enxofre varia conforme a presença de bactérias e a falta de oxigênio no lodo, servindo para identificar animais que usam esses ambientes. Nas teias alimentares, o enxofre fica guardado em aminoácidos essenciais (como metionina e cisteína), permitindo rastrear proteínas da dieta até o consumidor. No passado, o enxofre era difícil de analisar em laboratório devido a problemas químicos, mas as máquinas modernas resolveram isso. Hoje, ele é muito usado para descobrir a origem geográfica de aves e outros animais que migram longas distâncias.
Hidrogênio O hidrogênio e o oxigênio costumam ser estudados juntos na água da chuva, mas agem de formas diferentes dentro do corpo dos animais. O hidrogênio varia bastante na natureza de acordo com a água e o alimento que o animal consome. Assim como no carbono, a gordura dos animais tem uma quantidade de hidrogênio diferente do restante do corpo, o que ajuda a rastrear o metabolismo de gorduras. A maior utilidade do δ2H é descobrir de onde vêm os animais migratórios. Como o hidrogênio da água da chuva muda conforme a região do continente, os tecidos que crescem no animal (como penas e pelos) guardam a "assinatura" do lugar onde ele estava. Os cientistas usam mapas globais de chuva (dados da rede GNIP) para criar mapas de tecidos animais e descobrir de qual região um animal migrou. O hidrogênio também indica se um animal terrestre depende de alimentos que vêm de rios e lagos.
Oxigênio O oxigênio ajuda a entender o clima do passado e o uso da água. Ele costuma ser medido em partes duras dos animais, como fósseis, dentes e ossos, ajudando a entender o impacto de mudanças climáticas globais de longo prazo. A análise de δ18O funciona porque a quantidade desse isótopo nos minerais depende direto da temperatura do ambiente. Isso funciona muito bem em animais de sangue frio (como peixes e invertebrados) e na água, tornando o oxigênio essencial para estudos de paleoclimatologia (o clima na pré-história). Além disso, quando analisado junto com o nitrogênio, o oxigênio ajuda a identificar fontes de poluição por esgoto ou fertilizantes em rios e lagos.
Análise de Cadeia Trófica A análise de isótopos estáveis é amplamente utilizada em ecologia trófica, baseando-se no princípio de que a composição isotópica de um organismo reflete, em grande parte, os recursos que ele consome. Por meio da avaliação da composição isotópica de tecidos como músculos e frações proteicas, que representam os nutrientes assimilados ao longo do tempo, essa técnica pode ser empregada para reconstruir dietas, estimar posições tróficas, investigar fluxos de matéria e energia, caracterizar nichos ecológicos e reconstruir teias alimentares. Em comparação com métodos tradicionais, como a análise de conteúdo estomacal, a análise isotópica fornece uma visão mais integrada da alimentação dos organismos e permite identificar as principais fontes de recursos utilizadas ao longo do tempo. Uma das limitações desse método, entretanto, é que a composição isotópica dos organismos não é determinada exclusivamente pela dieta, podendo também ser influenciada por fatores como espécie, idade, tecido analisado, condições fisiológicas, temperatura e variações sazonais.
Na análise de cadeias tróficas, os valores de δ15N são empregados principalmente na determinação da posição dos organismos na cadeia alimentar, enquanto os valores de δ13C auxiliam na identificação das fontes de carbono utilizadas pelos consumidores. A interpretação desses dados requer o estabelecimento de uma linha de base isotópica adequada, uma vez que a composição isotópica pode variar entre diferentes ambientes, como regiões litorâneas e pelágicas em ecossistemas aquáticos. Essas informações permitem investigar relações alimentares e fluxos de energia que muitas vezes são difíceis de observar diretamente, fornecendo uma visão integrada dos recursos assimilados pelos organismos ao longo do tempo.
Ecossistemas Aquáticos vs Terrestres