Appunti di Ecologia

Definizioni di base

Ecologia

Ecologia è lo studio scientifico delle relazioni tra gli organismi e l'ambiente, che rappresenta tutte le condizioni fisiche e le componenti biologiche o viventi che formano il contesto in cui è situato un organismo.

Ecosistema

Ecosistema è un ambiente confinato che include l'insieme delle condizioni fisiche e degli organismi presenti all'interno di esso. Le condizioni fisiche come temperatura, umidità, concentrazione di ossigeno e anidride carbonica e intensità luminosa, influenzano processi essenziali per la sopravvivenza e l'accrescimento degli organismi. Le componenti basilari sono due: quella biotica (vivente) e quella abiotica (non vivente).

Popolazione

Popolazione è un gruppo di individui della stessa specie che occupa un determinato spazio. Le popolazioni di piante e animali non sono indipendenti, infatti in alcuni casi possono entrare in competizione per alcune risorse limitate come acqua, cibo e spazio.

Comunità

Comunità è l'insieme delle popolazioni di specie diverse che vivono all'interno di un ecosistema.

Ambiente

Ambiente costituisce il mondo che si trova a contatto con l'organismo, il quale influisce su di esso determinando reazioni e adattamenti fisiologici e morfologici e che, a sua volta, per azione dell'organismo si trasforma e si plasma.

Microambiente

Microambiente è un ambiente di piccola estensione geografica che è caratterizzato da microclimi particolari e abitato da flora e fauna che differiscono da quelle della regione (macroambiente).

Valenza ecologica

Valenza ecologica rappresenta la capacità degli organismi di adattarsi a condizioni diverse: se ha un valore alto significa che si ha un'elevata capacità di adattamento, se è bassa significa che l'organismo fa fatica ad adattarsi. In base a questo possiamo distinguere:

• Specie euriecia: alta valenza ecologica (intervallo di tolleranza ampio)
• Specie stenoecia: bassa valenza ecologica (intervallo di tolleranza limitato)

Le esigenze degli organismi variano a seconda del periodo di vita che stanno attraversando: durante la gioventù e la vecchiaia si ha una fase delicata, mentre nella fase adulta no.

Fattori ecologici

• Fattori abiotici: fattori dell'ecosistema che non hanno vita, sono fisici e chimici (temperatura, acqua, umidità, luce, nutrienti, ossigeno, pH);
• Fattori biotici: fattori viventi (animali e piante);
• Fattori limitanti: condizioni in cui viene superato il limite di tolleranza di un individuo che può compromettere la sua sopravvivenza;

Fattori abiotici

Temperatura

È il fattore ecologico fondamentale perché:

• È collegato a tutti gli altri fattori
• Rappresenta la capacità di un corpo di trasmettere calore ad altri

Per gli organismi viventi i limiti di temperatura variano da -200 a 100 gradi, tuttavia i 50 gradi rappresentano il limite superiore di vita per la maggior parte degli animali e dei vegetali, mentre poco meno degli 0 gradi come limite inferiore di vegetali e alcuni animali. Le specie si suddividono in due gruppi in funzione della tolleranza nei confronti della temperatura:

• Euriterme: accettano grandi variazioni di t
• Stenoterme: accettano poche variazioni di t

Per ogni specie esistono dei limiti di temperatura superiori e inferiori ben definiti e sono:

• Temperatura ottimale: t in cui lo sviluppo e le reazioni metaboliche avvengono nel migliore dei modi
• Temperatura letale: t limite che coincide con la morte dell'organismo
• Temperatura di inattivazione: precede la t letale e ne rappresenta una condizione necessaria e sufficiente

Es. La carpa e la trota (due pesci di acqua dolce) hanno due range di temperatura differenti: la carpa tra 20 e 30 gradi, la trota tra 5 e 20 gradi circa.

Adattamenti termici

Negli organismi viventi si distinguono due principali tipi di adattamento alle variazioni di temperatura dell'ambiente esterno:

• Pecilotermia (eterotermia): la temperatura corporea segue con poche differenze quella esterna. Negli organismi pecilotermi le variazioni di temperatura contribuiscono all'accelerazione dei processi biologici ad alte t esterne (vantaggio), mentre il rallentamento fino all'arresto di ogni funzione a basse t ambientali (svantaggio)
• Omeotermia: la temperatura corporea viene mantenuta elevata e praticamente costante anche quando varia quella dell'ambiente esterno. Negli organismi omeotermi (mammiferi e uccelli) il mantenimento di un'alta t corporea implica un incremento del tasso metabolico (vantaggio) anche se risulta energicamente dispendioso mantenere la t interna costante (svantaggio).

In presenza di condizioni termiche sfavorevoli, gli organismi reagiscono con:

• Migrazione: spostamento lungo rotte ben precise seguito da un ritorno alle zone di partenza
• Ibernazione: condizione biologica in cui le funzioni vitali sono ridotte al minimo
• Estivazione: riduzione al minimo del fabbisogno di cibo e di acqua durante periodi di grande caldo
• Diapausa: arresto spontaneo dello sviluppo in cui l'organismo è inattivo, non si alimenta e non si muove
• Quiescenza: stato di sospensione reversibile dei processi vitali fondamentali

Caratteristiche termiche di aria, suolo e acqua

• Temperatura nell'aria: varia a seconda di latitudine e altitudine secondo un gradiente di circa mezzo grado ogni 100 m, infatti ad altitudini elevate la vegetazione è quasi nulla. Durante le stagioni estive l'aria a contatto con il suolo si riscalda e risale creando una circolazione di aria calda e fredda, mentre in quelle invernali l'aria fredda non riesce a risalire e in assenza di vento, in ambiente umido, si trasforma in nebbia e smog.
• Temperatura nel suolo: diminuisce con la profondità ed è funzione della conduttività termica (rapporto tra flusso termico e gradiente di temperatura che provoca il passaggio del calore) e della capacità termica (rapporto fra il calore scambiato tra il corpo e l'ambiente e la variazione di temperatura che ne consegue oppure massa per calore specifico).
• Temperatura nell'acqua: l'acqua è la sostanza che richiede la maggiore quantità di calore per innalzare la temperatura e analogamente per raffreddarsi (ha un alto calore specifico infatti ha bisogno di più calore per riscaldarsi). I valori di t nell'acqua non scendono mai al di sotto del punto di congelamento (0 gradi per acqua dolce e -2,5 gradi per acqua salata).

Proprietà dell'acqua in mare e acque interne

Possiamo distinguere alcune proprietà dell'acqua per acque di mare e interne:

• Mare: negli strati superficiali la t varia con la latitudine e segue ritmi stagionali e diurni, mentre in quelli profondi è stabile (circa 3 gradi).
• Acque interne: si creano degli strati chiamati epilimnio (superficiale), termoclino (zona di rimescolamento) e ipolimnio (profondo) a causa della diversa densità dovuta alla differenza di temperatura delle varie stagioni. In estate la temperatura diminuisce con la profondità (stratificazione diretta), in inverno gli strati superficiali si raffreddano e quelli sottostanti restano più caldi perché la densità dell'acqua ha valore massimo in corrispondenza di 4 gradi (stratificazione inversa), in primavera e in autunno la differenza di t tra superficie e profondità si annulla e quindi gli strati avendo uguale densità si rimescolano (periodo di circolazione).

Acqua

Acqua è il composto più abbondante sulla terra e il costituente principale dei tessuti animali e vegetali. Per gli organismi fuori dall'acqua si parla sempre di acqua dolce, perché quella salata disidrata a causa del fenomeno dell'osmosi (processo fisico spontaneo che tende a diluire la soluzione più concentrata: la cellula in ambiente salato perde acqua per compensare la differenza di concentrazione), infatti gli insediamenti umani più grandi nascono vicino a corsi di acqua dolce.

Necessità e approvvigionamento idrico degli organismi

Gli organismi hanno diverse necessità di acqua e in base a questo si dividono in:

• Idrofili: vivono nell'acqua (idrofite per le piante)
• Igrofili: vivono in ambienti terrestri molto umidi
• Mesofili: hanno esigenze intermedie nei confronti dell'acqua e sopportano anche le condizioni più critiche
• Xerofili: adattati ai climi in cui il deficit di acqua è molto accentuato (sia in aria che nel suolo)

Gli organismi possono rifornirsi di acqua in diversi modi:

• Ingestione diretta
• Assorbendola attraverso la pelle con contatto con materiali umidi (terreno o piante)
• Direttamente dal cibo
• Producendola per via chimica

Ci sono alcune difese adottate per evitare la disidratazione:

• Evitare perdite di acqua
• Sviluppare forme di resistenza in ambienti sfavorevoli
• Spostamenti
• Usare il proprio metabolismo per la sintesi dell'acqua
• Prelevare acqua dall'ambiente esterno

Gli organismi (come i vertebrati) producono urine e feci per scartare i residui del loro metabolismo:

• Ammoniaca: tipica dei vertebrati acquatici, è tossica
• Urea: tipica dei mammiferi, è più energetica e consente di non usare molta acqua di depurazione
• Acido urico: tipico nei rettili e negli uccelli, è costituito da sali che precipitano e quindi non restano in circolo. Esistono alcuni mammiferi che possono produrlo per risparmiare acqua, ad esempio il dromedario può tollerare un incremento di temperatura corporea anche di 7 gradi senza utilizzare acqua, poiché la produce dall'ossidazione dei lipidi.

Luce

Molti fenomeni biologici sono basati sulla luce, infatti i ritmi biologici sono legati all'alternanza giornaliera dei periodi di luce e oscurità, nonché alla durata di questi periodi nel corso dell'anno. Se la luce diminuisce, il metabolismo rallenta; al contrario, in presenza di luce, quando le giornate si allungano, si attivano gli ormoni degli organismi e aumenta il metabolismo. Esistono degli organismi detti fotofili che cercano la luce, mentre altri che possono vivere anche in elevate profondità marine in cui la luce non c'è più.

Fotosintesi

L'energia luminosa è alla base del fenomeno fondamentale di fotosintesi: un processo mediante il quale, a partire da anidride carbonica e acqua, in presenza di luce solare quale fonte di energia, vengono prodotti glucosio e ossigeno. La reazione fotosintetica viene mediata dalla clorofilla, un pigmento di colore verde, e da altri pigmenti. Nella respirazione cellulare, l'ossigeno brucia il glucosio prodotto dalla fotosintesi per liberare energia, che può essere spesa per tutte le attività cellulari. I prodotti finali di questa combustione sono acqua e anidride carbonica:

glucosio + ossigeno → anidride carbonica + acqua + energia

Zone all'interno di un corpo idrico

All'interno di un corpo idrico possiamo distinguere 2 zone:

• Fotica: caratterizzata dalla presenza di luce, si divide in zona eufotica (elevata presenza di luce in cui si ha fotosintesi) e zona oligofotica (poca luce)
• Afotica: caratterizzata dall'assenza di luce, qui non avviene la fotosintesi ma soltanto la respirazione

Cicli biogeochimici

Il ciclo biogeochimico è il percorso seguito da un determinato elemento chimico all'interno dell'ecosfera, ovvero nella parte più bassa dell'atmosfera. Ogni ciclo può essere diviso in due comparti:

• Pool di riserva: compartimento più ampio, meno attivo, generalmente non biologico
• Pool di scambio: compartimento più piccolo in continuo movimento tra organismi e ambiente

Ciclo dell'azoto

Il suo ciclo viene definito gassoso poiché il pool di riserva (accumulo) è l'atmosfera. L'azoto è un elemento fondamentale per la formazione di proteine e amminoacidi. Le piante non riescono a utilizzare l'azoto molecolare dell'atmosfera. L'azoto è reso disponibile grazie all'azione di particolari batteri, che vivono in simbiosi con le radici di alcune piante. Questi batteri riescono a ridurre le molecole di azoto N a ione ammonio in un processo chiamato azotofissazione. Lo ione ammonio viene poi trasformato prima in ione nitrito e poi in ione nitrato ad opera di altri batteri presenti nel terreno. Questo processo, fondamentale dal punto di vista biologico, è chiamato nitrificazione. I nitrati, una volta in soluzione nell'acqua di infiltrazione, possono essere assorbiti dalle radici delle piante e trasformati in sostanza organica attraverso il processo di assimilazione. Solo il 12% dell'azoto richiesto dalle piante deriva dalla azotofissazione operata dai batteri. La maggior parte dell'azoto viene reso disponibile attraverso il suo riciclo da altre molecole organiche azotate presenti nella biosfera. L'azoto delle sostanze organiche entra a far parte di un corto ciclo che si svolge tra piante, animali e batteri. L'azoto può rientrare in circolazione attraverso le deiezioni degli animali oppure può essere liberato dagli organismi morti grazie all'azione di organismi come insetti, batteri e funghi, che decompongono i rifiuti azotati trasformandoli in azoto ammoniacale. Il processo di decomposizione è talmente importante che la maggior parte di azoto minerale presente nel terreno deriva dagli organismi morti. Attraverso processi di denitrificazione, che avvengono anch'essi ad opera di particolari batteri, l'azoto viene restituito all'atmosfera sotto forma di azoto molecolare. In questo modo il ciclo si chiude.

Il ruolo dei batteri nel ciclo dell'azoto è fondamentale per mantenere in circolo questo elemento e impedire che la carenza rappresenti un fattore fortemente limitante per la produttività degli ecosistemi. La quantità di azoto aggiunta artificialmente ai terreni è superiore alla metà di quella fissata naturalmente. Se non sono assorbiti dalle radici delle piante, questi composti si accumulano nelle acque sotterranee e poi nei corsi d'acqua, nei laghi e nei mari, dove possono causare il fenomeno dell'eutrofizzazione. All'interno di un lago, la presenza di azoto è dovuta da piogge, affluenti e dalla fissazione dei batteri. Nei fenomeni di stratificazione dei laghi abbiamo diverse concentrazioni di carico organico:

• Oligotrofia: poco carico
• Mesotrofia: medio carico
• Eutrofia: alto carico
• Distrofia: più carico di un nutriente, meno di un altro

Ciclo del fosforo

È un ciclo tipicamente sedimentario, infatti il pool di riserva è costituito delle rocce fosfatiche che, tramite le acque superficiali, consentono il trasferimento del fosforo nel terreno e nei bacini idrici. Il fosforo viene incorporato nelle molecole organiche senza processi di riduzione (a differenza di azoto e carbonio) e una volta organicato dalle piante entra nella catena alimentare, da cui esce attraverso la sedimentazione dei detriti vegetali e animali, i quali rilasciano nuovamente fosforo inorganico. La presenza eccessiva di fosforo e altri nutrienti in condizioni adeguate provoca l'eutrofizzazione, cioè un fenomeno di proliferazione di alghe incontrollata. Il rapporto tra azoto e fosforo per realizzare le funzioni biologiche degli organismi deve essere N:P=16:1: il fosforo rappresenta un fattore limitante, poiché in natura si esaurisce più rapidamente.

Ciclo dell'ossigeno

Nella zona di contatto tra acqua e atmosfera si verifica uno scambio bidimensionale: l'ossigeno si scioglie in acqua fino a raggiungere l'equilibrio dinamico (una volta raggiunto questo equilibrio entra tanto ossigeno quanto ne esce). Lo scambio dipende principalmente dai seguenti fattori:

• Temperatura: un aumento di temperatura provoca il passaggio di gas dall'acqua nell'aria e viceversa (quando fa caldo in acqua rimane disciolto meno ossigeno rispetto a quando fa freddo)
• Salinità: più l'acqua è salata e meno l'ossigeno è solubile in acqua poiché la presenza di sale comporta dei legami chimici a cui l'ossigeno può legarsi
• Pressione parziale di ossigeno: aumentando la pressione, aumenta anche la solubilità e viceversa

Durante la notte la temperatura diminuisce, la salinità aumenta e anche l'ossigeno aumenta. Durante il giorno la temperatura aumenta, la salinità diminuisce e anche l'ossigeno diminuisce. Il livello di ossigeno all'interno dell'acqua può variare a seconda delle specie introdotte al suo interno:

• Esempio 1: introducendo un pesce si ha consumo di ossigeno, ma attraverso lo scambio con l'atmosfera è possibile bilanciare il consumo; introducendo tanti pesci, invece, il consumo di ossigeno è maggiore, di conseguenza il tasso di respirazione aumenta e supera la capacità dell'atmosfera di cederne: in questo caso l'ossigeno diminuisce
• Esempio 2: introducendo una pianta in acqua, tramite la fotosintesi si ha produzione di ossigeno e il suo tasso di produzione supera quello di eliminazione con l'atmosfera, di conseguenza l'ossigeno aumenta

A partire dalla primavera inoltrata, quando la temperatura dell'acqua comincia a salire ed aumentano le ore di luce, la quantità di ossigeno prodotta dalla fotosintesi è maggiore dell'ossigeno consumato nella respirazione; nell'acqua tende ad accumularsi ossigeno che viene poi parzialmente perso per diffusione nell'atmosfera. Di notte l'assenza di luce blocca la fotosintesi ma la respirazione non si arresta; quindi il contenuto di ossigeno nell'acqua tende a diminuire. Quando scende sotto le condizioni di equilibrio, si innesca la diffusione dall'aria all'acqua. Pertanto, in un'acqua contenente specie vegetali, l'ossigeno aumenta dalla mattina sino al pomeriggio a causa della fotosintesi e poi gradualmente diminuisce con il diminuire della luce solare, diversamente da ciò che avviene in un'acqua "senza vita". Il minimo di ossigeno si registra nella notte poco prima del sorgere del sole, dopo un periodo di tempo durante il quale la diffusione dall'aria può non essere sufficiente.