Appunti della seconda parte del corso di Ecologia

Ecologia

Introduzione all'ecologia

L'ecologia è la disciplina che studia i rapporti tra gli organismi viventi e l'ambiente, lo studio delle interazioni che determinano la distribuzione e l'abbondanza degli organismi. Essa studia quindi le interazioni tra gli organismi e quelle che questi hanno con l'ambiente fisico-chimico, ovvero l'insieme dei processi biotici e abiotici da cui dipende la vita sulla Terra.

Componenti dell'ambiente

L'ambiente si avvale di una componente biotica ed una abiotica: la prima è relativa alle interazioni tra gli organismi, la seconda all'ambiente fisico che circonda gli organismi stessi. L'individuo ha una serie di possibilità di interagire con le varie componenti dell'ambiente, l'ecologia studia come si attuano e che tipo di interazioni sono; essa studia questi fenomeni a livello dell'organismo ma anche a livello della comunità, studia quindi il funzionamento degli ecosistemi.

Popolazioni e comunità

Una popolazione è un gruppo di organismi della stessa specie che occupano una determinata area. Essi presentano proprietà emergenti: natalità, mortalità, distribuzione per età ecc. Una comunità è un insieme di popolazioni che vivono in un determinato habitat fisico, fra le quali si instaurano rapporti di interrelazione e di interdipendenza, per lo più di ordine trofico.

Ecosistemi

L'ecosistema è l'entità costituita dagli organismi viventi presenti in una determinata area e dell'ambiente fisico circostante, fra cui si vengono a creare interazioni reciproche. Gli ecosistemi sono sistemi aperti, in equilibrio dinamico, condizionati dalla presenza di flusso di energia e circolazione di materia. Dal punto di vista dello spazio, l'ambiente è disomogeneo, bisogna infatti fare attenzione alla scala di riferimento e ai fenomeni svolti nell'ambiente stesso: scala globale o scala locale.

Studio dell'ecologia

Lo studio dell'ecologia si basa su:

• Osservazione di fenomeni naturali in campo
• Esperimenti di manipolazione in campo
• Esperimenti di laboratorio
• Modelli matematici

L'ambiente è caratterizzato da una serie di fattori chimico-fisici e biotici che sono soggetti a variazioni spazio-temporali, pertanto l'ambiente è estremamente disomogeneo sia spazialmente che temporalmente. Gli organismi sono distribuiti in base a tale disomogeneità: differenti tipi di organismi sono distribuiti in maniera differente in diversi tipi di ambiente ed esistono delle relazioni ben definite ed una ben precisa corrispondenza tra organismi e ambiente.

Adattamento e selezione naturale

Gli organismi che vivono in un certo ambiente devono essere ben adattati, alla base di tale adattamento stanno i processi di selezione naturale. La teoria dell'evoluzione per selezione naturale si basa su una serie di considerazioni: gli organismi che costituiscono una popolazione non sono identici – almeno una parte delle differenze è ereditaria – le popolazioni sarebbero in grado di diffondersi indefinitivamente ma non lo fanno perché molti individui muoiono prima di arrivare alla riproduzione.

Differenti individui lasciano differenti numeri di discendenti e così via – il numero di individui discendenti da un individuo progenitore dipende dall'interazione tra i caratteri dell'individuo progenitore stesso ed il suo ambiente: un individuo sarà in grado di lasciare discendenti in certi ambienti ma non in altri.

In un ambiente costante nel tempo si avranno organismi sempre più adatti, in grado di avere discendenti; gli ambienti passati agiscono da filtro attraverso il quale sono passate varie combinazioni di caratteri nel cammino verso il presente. Gli organismi sono quindi conseguenza del loro passato, in cui sono vissute le generazioni precedenti.

Specie e isolamento

Specie biologica: appartengono alla stessa specie biologica organismi capaci, almeno potenzialmente, di incrociarsi in natura per produrre prole fertile.

Specie morfologica: appartengono alla stessa specie gli organismi che condividono alcune caratteristiche morfologiche e sono distinguibili da altri organismi affini da alcune differenze nella morfologia.

Es: Achillea lanulosa specie ad alta ripartizione ecologica con differenze fra popolazioni fissate geneticamente - a bassa quota individui alti e ben sviluppati, ad alta quota individui piccoli ed apparentemente gracili - piante raccolte a diverse altitudini e trapiantate tutte nello stesso luogo mantengono la morfologia del sito di origine in quanto fissate geneticamente.

L'isolamento in isole geografiche o ecologiche è responsabile della presenza di popolamenti ed organismi differenti rispetto a quelli presenti nelle aree continentali o nelle isole vicine; l'isolamento favorisce il differenziamento sempre più spinto delle popolazioni e quindi la formazione di nuove specie.

Fringuelli delle Galapagos: più di 10 specie molto affini e differenziatesi da un unico progenitore, esse, isolate nella Galapagos, hanno avuto la possibilità di utilizzare le più svariate risorse, differenziandosi di conseguenza.

Isolamento geografico

Isolamento geografico → barriere tra popolazioni → tendenza alla specializzazione.

Non esiste un solo tipo di organismo adatto per ciascun ambiente, l'adattamento si sviluppa a partire dal un pool genico iniziale. Gli eventi accaduti nel passato sulla Terra possono avere profonde ripercussioni sul presente e gli organismi spesso si trovano a vivere in un certo ambiente a causa di fattori storici; essi influenzano la distribuzione degli organismi e delle specie e contribuiscono a determinare la disomogeneità di tale distribuzione.

Movimenti di masse di terre emerse

La distribuzione dei grandi uccelli incapaci di volare è un esempio di distribuzione legata, oltre che alle interrelazioni tra organismi e ambiente, anche alle successive frammentazioni del supercontinente Gondwana; da tale frammentazione sono derivati: Africa, America meridionale, Australia e Antartide, nei quali sono presenti tali specie. Ciascuna specie è presente in una certa area in primo luogo a causa della frammentazione e della separazione della massa continentale occupata dai loro progenitori, in secondo luogo perché nel proprio continente ciascun gruppo si è poi differenziato in relazione all'ambiente lì presente.

Tetide

Tetide → prima era un ampio mare tropicale tra i due supercontinenti (Laurasia a nord, Gondwana a sud), poi le sue dimensioni e la sua comunicazione con altri mari si restringono; quando la Tetide si riduce, rimane comunque aperta o chiusa periodicamente una comunicazione con un grande bacino salmastro attraverso la Penisola Balcanica e la Turchia.

Esistono delle relazioni ben definite ed una ben precisa corrispondenza tra organismi e ambiente:

• Evoluzione convergente: i grandi carnivori acquatici appartengono a 4 gruppi ben distinti – pesci, rettili, uccelli, mammiferi – essi hanno una notevole convergenza morfologica esterna, anche se le profonde differenze nella struttura interna e nel metabolismo indicano la distanza evolutiva tra essi;
• Evoluzione parallela: mammiferi placentati e marsupiali si sono evoluti parallelamente in due aree isolate l'una dall'altra, come equivalenti ecologici.

L'ambiente è eterogeneo

L'ambiente è eterogeneo: gli organismi non sono distribuiti uniformemente, i sistemi ecologici sono caratterizzati da un'elevata variabilità sia abiotica che biotica. È necessario tenere conto della suddetta variabilità ed eterogeneità.

Fattori limitanti

I principali fattori che limitano e controllano la distribuzione degli organismi sono:

• Condizioni: fattori ambientali che variano nello spazio e nel tempo e a cui gli organismi rispondono in maniera differenziale, esse possono essere in qualche modo modificate dalla presenza degli organismi;
• Risorse: tutto quanto c'è nell'ambiente e viene consumato, l'utilizzazione di una risorsa provoca il suo consumo e la sua indisponibilità per altri organismi.

Una certa area viene resa immediatamente diversa da un organismo che vi si insedia e che può quindi modificare l'ambiente circostante con: escrementi/detriti, rendendosi bio-disponibile dopo la morte etc.

Condizioni

Temperatura: gli organismi devono mantenere una temperatura adeguata alle loro caratteristiche e strategie, organismi appartenenti a diverse specie possono essere adatti a vivere in condizioni estremamente differenti.

Adattamenti a temperature molto fredde → adattamenti antigelo di alcuni pesci antartici appartenenti all'ordine dei nototenoidi che utilizzano sostanze anticoagulanti per impedire la formazione di cristalli di ghiaccio. Es: produzione di una glicoproteina, costituita da alanina e treonina ai cui residui è attaccato un disaccaride; la struttura che ne deriva, posizionandosi intorno ai cristalli di ghiaccio, ne impedisce la crescita.

• Progressiva riduzione dei globuli rossi fino a che si arriva alla loro scomparsa totale e alla scomparsa di emoglobina per ridurre la viscosità del sangue e quindi pericolo di congelamento.

Ectotermi → organismi che ricorrono a sorgenti di calore esterne per regolare la propria temperatura.

Endotermi → organismi che regolano la propria temperatura producendo calore nel proprio corpo – vantaggi in termini di indipendenza dalle condizioni ambientali, maggiore efficacia di predazione, maggiore capacità di sfuggire alla predazione.

Acclimatazione: adattamento progressivo a temperature diverse che permette di ridurre la spesa metabolica derivata dalla vita in un habitat meno adatto; un ectotermo esposto a variazioni di temperatura subirà una modificazione della sua temperatura in corrispondenza della variazione ambientale a lui sottoposta.

L'ambiente può diventare ciclicamente sfavorevole per gli organismi a causa delle variazioni di temperatura che si verificano durante gradienti ritmici di vario periodo; gli organismi devono essere quindi in grado di sopportare tale ciclico cambiamento dell'ambiente quando le caratteristiche escono dall'intervallo di tolleranza. Le modalità di risposta sono:

• Modificazione del metabolismo → ibernazione/estivazione: soluzione messa in atto dagli organismi che non sono in grado di sfuggire in altro modo alle condizioni sfavorevoli
• Migrazione → soluzione radicale non sempre legata alla temperatura

Risorse

Una risorsa è tutto quanto c'è nell'ambiente e viene consumato dagli organismi, è ciò di cui un organismo si nutre e da cui trae energia ma anche lo spazio di cui ha bisogno; l'utilizzazione di una risorsa provoca il suo consumo e la sua eventuale indisponibilità per altri organismi. Una risorsa è una quantità che può essere ridotta dall'attività dell'organismo o di altri organismi presenti nel medesimo habitat.

La radiazione solare è la principale risorsa energetica per la biosfera e unica sorgente di energia per le piante verdi; l'energia contenuta nella radiazione è una risorsa particolare in quanto attraversa la biosfera solo una volta e non è in qualche modo riciclabile come la materia. Inoltre solo una parte dell'energia luminosa incidente può essere utilizzata dalle piante mediante il processo della fotosintesi. L'energia luminosa è alla base del funzionamento degli ecosistemi.

Cicli biogeochimici

Gli organismi vegetali estraggono dal suolo i nutrienti minerali essenziali attraverso le radici, la disponibilità dei nutrienti è regolata dai cicli biogeochimici che rendono ciclicamente disponibili le forme chimiche assimilabili. Si tratta di cicli nutritivi, relativi ad elementi e a sostanze necessarie per la vita:

• Elementi primari: C, H, N, O – 97% della materia vivente
• Elementi secondari: P, S (importanti costituenti di proteine e grassi), Na, Mg, K, Ca, Cl (importanti per l'equilibrio osmotico ed il metabolismo idrico)
• Altri elementi essenziali: Fe, Cu, Zn, Mn, Cr, Se, Br, Fe, Va ecc. presenti in piccole quantità e limitati a determinati tipi di cellule

Per ogni ciclo si distingue un pool di riserva, in cui l'elemento non è disponibile immediatamente per i suoi potenziali utilizzatori, e un pool di scambio in cui l'elemento è maggiormente disponibile. La localizzazione del pool di riserva permette di individuare due tipi di ciclo:

• Ciclo gassoso: se localizzato nell'atmosfera o nell'idrosfera
• Ciclo sedimentario: se localizzato nella crosta terrestre.

I cicli gassosi che presentano ampie riserve atmosferiche, possono essere considerati ben tamponati globalmente a causa della loro notevole capacità di ristabilirsi dopo eventuali modificazioni.