Appunti di ecologia, lezioni

La scienza

La scienza (da scire = sapere) rappresenta sia il risultato del processo che porta al sapere che è il metodo per acquisire tale conoscenza ed è anche un processo d’indagine che prevede l’esecuzione di osservazioni ripetibili e la formulazione di ipotesi verificabili.

Ricerca scientifica

I fatti sono il punto di partenza e di arrivo e sono aspetti della realtà. La ragione è la capacità di processare informazioni, cioè tenta di spiegare perché avvengono i fatti avvengono in certi modi.

Tutto ciò avviene attraverso una metodologia scientifica, cioè lo scienziato deve fornire la prova che le sue ipotesi hanno resistito ad ogni tipo di falsificazione empirica: lo scienziato, davanti a una situazione nuova, isola il problema e formula un’ipotesi che prima esamina e poi progetta una sperimentazione e la sottopone a prove.

L’acquisizione dei dati avviene tramite l’osservazione e/o misure, la formulazione di un’ipotesi e la verifica di questa mediante il metodo ipotetico-deduttivo. Il grado di attendibilità di un’ipotesi dipende dal livello di ripetibilità delle osservazioni e degli esperimenti.

Quindi il metodo adottato dagli scienziati si basa sull’osservazione e sul ragionamento induttivo (= è una generalizzazione in grado di sommare e di sintetizzare molte osservazioni tra loro coerenti) e sul metodo ipotetico-deduttivo (si basa sul principio logico “se… allora” e porta alla formulazione di previsioni).

Osservazioni, quesito, ipotesi, previsione, verifica (tramite esperimento/osservazioni): se la verifica supporta l’ipotesi si fanno altre previsioni per rafforzare la propria ipotesi; al contrario è necessario riconsiderare l’ipotesi o proporne una nuova.

Modelli complessi e modelli semplici

Nei modelli complessi si tiene conto della complessità del sistema e di tutte le sue componenti per descriverlo in modo “realistico”, ma bisogna tener conto di tutti gli input, capire tutti i fenomeni che spesso sono poco conosciuti poiché si va incontro a una grande complessità sia operativa che interpretativa.

Al contrario nei modelli semplici vengono isolati i vari fenomeni così da semplificare l’interpretazione poiché sono presenti meno input e si ha una maggiore possibilità di utilizzo a fini gestionali. Ma si ha un ridotto “realismo ecologico”.

In un ecosistema esistono troppe componenti per poter utilizzare il metodo riduzionista, però per comprendere e rappresentare alcuni fenomeni bisogna per forza adattare questo metodo per poter isolare una determinata parte dell’ecosistema dal contesto generale, sebbene poi si abbiano risultati approssimati.

In un ecosistema però, avendo una grande varietà di elementi, non sempre le leggi sono applicabili a differenza delle leggi fisiche-chimiche.

Cos’è una legge?

È una formulazione generale che esprime i risultati dell’evidenza sperimentale. I fondamenti di chimica/fisica possono essere spiegati da leggi esprimibili in modo univoco con formulazioni matematiche che possono essere considerate formulazioni generali. Ciò appunto non è applicabile in ecologia.

Scala gerarchica degli organismi

Il mondo degli organismi è organizzato secondo una scala gerarchica che si estende dalle molecole fino alla biosfera. Progredendo nel senso della complessità crescente, emergono nuove proprietà che rappresentano il risultato delle interazioni tra gli elementi costitutivi del gradino inferiore.

• Biosfera
• Ecosistema
• Comunità
• Popolazione
• Organismo
• Organo
• Cellula
• Geni

Sistemi complessi

Sistema: struttura costituita da diverse parti interagenti.

I sistemi complessi sono costituiti da molte componenti, sottosistemi o subunità, che interagiscono tra loro in modo tale che il comportamento globale non sia riducibile alla semplice somma dei comportamenti delle sue componenti, ma dipenda in modo imprevedibile dalle mutue interazioni tra questi ultimi. Il sistema complesso non può essere considerato una semplice sommatoria dei sottoinsiemi che lo compongono.

• Se è costituito da un elevato numero di componenti: soglia numerica.
• La dominanza sulla gestione dei processi è ripartita tra le diverse componenti: soglia strutturale.
• Le diverse componenti interagiscono tra loro e sono legate da feed-back: soglia funzionale.

Modelli

Scopo: descrivere e rappresentare schematicamente la struttura e il funzionamento degli ecosistemi, prevedendo l'andamento in funzione della modificazione di alcuni parametri.

Modelli complessi

Tengono conto della complessità del sistema e cercano di descriverlo nella maggior parte delle componenti.

Vantaggi: elevato realismo ecologico.

Svantaggi:

• Grande complessità operativa ed interpretativa.
• Enorme quantità di input.
• Necessità di conoscere fenomeni spesso poco conosciuti.

Modelli semplici

Isolano i fenomeni particolari e cercano di descriverli.

Vantaggi:

• Semplicità operativa e interpretativa.
• Ridotti dati di input.

Svantaggi:

• Ridotto realismo ecologico.

Modelli chimico-fisici e modelli ecologici

I fondamentali della fisica e della chimica possono essere spiegati da leggi esprimibili in modo univoco con formulazioni matematiche che possono essere considerate di validità generale: principio difficilmente applicabile in modo rigoroso all'ecologia.

Caratteristiche dei sistemi

• Aperto: può scambiare materia e energia con l'esterno.
• Chiuso: scambia energia ma non materia con l'esterno.
• Isolato: non scambia energia né materia.
• Cibernetico: mantiene l'omeostasi con meccanismi di feed-back.

Modello del sistema generale

La realtà viene percepita nei termini di sistemi complessi, in cui ogni ente è strettamente connesso agli altri e in cui si instaurano complesse reti di relazioni tra le componenti del sistema e tra esse e l'ambiente esterno (olismo). Da queste relazioni derivano proprietà emergenti nei sistemi naturali: i sistemi sono finalizzati al mantenimento dello stato di equilibrio stazionario (teleologia), energia libera e biosfera.

Le relazioni consistono in flussi di materia (cicli della materia), energia (entrate ed uscite di energia), informazione, che sono concertati in modo tale che, nel sistema, si sviluppino efficienti meccanismi di autoorganizzazione (proprietà emergente dei sistemi complessi, emerge senza essere progettata da nessuno. Infatti la materia si può organizzare per sé e dar luogo a strutture dinamiche), regolazione e controllo (modello cibernetico) del funzionamento complessivo.

A differenza del modello newtoniano, questo modello non ha la pretesa di esporre l'intera essenza dei fenomeni, ma si propone di fornire un'immagine efficace della realtà indagata.

Caratteristiche dei sistemi

• Aperto: avviene scambio di materia e energia tra sistema e ambiente esterno.
• Chiuso: sistema e ambiente scambiano energia, ma non materia.
• Isolato: nessuno scambio.
• Cibernetico: gli elementi interagiscono tra di loro ma tendono sempre a mantenere l’omeostasi, cioè l’equilibrio all’interno di un sistema.

Modello generale

Si basa su principi sistematici: pertinenza, olismo, teleologia, complessità.

Questo modello si basa sui principi sistemici: la realtà viene percepita nei termini di sistemi complessi, in cui ogni ente è strettamente connesso agli altri e in cui si instaurano complesse reti di relazioni tra le componenti del sistema e tra esse e l'ambiente esterno (olismo).

Da queste relazioni derivano proprietà emergenti nei sistemi naturali, cioè i sistemi sono finalizzati al mantenimento dello stato di equilibrio stazionario (teleologia = considerare i fini e i comportamenti), attraverso la liberazione di energia.

Le relazioni consistono in flussi di materia (cicli della materia), energia (entrate ed uscite), informazione, che sono concertati in modo tale che, nel sistema, si sviluppino efficienti meccanismi di autoorganizzazione, regolazione e controllo (modello cibernetico) del funzionamento complessivo.

A differenza del modello newtoniano, questo modello non ha la pretesa di esprimere l'intera essenza dei fenomeni, ma si propone di fornire un'immagine utile, efficace e pertinente della realtà indagata.

Proprietà dei sistemi

Un sistema può essere scomposto in più componenti, spesso considerabili sistemi o sottosistemi.

• Proprietà collettive o insiemistiche: sono deducibili attraverso lo studio delle proprietà delle singole componenti del sistema. La variabilità tende a diminuire con l’aumentare delle dimensioni del sistema.
• Proprietà emergenti: non si possono prevedere dallo studio delle singole componenti, cioè le proprietà dell’insieme non sono riducibili alla somma delle proprietà delle singole parti. Le nuove proprietà emergono perché le componenti interagiscono tra loro e vanno perciò osservate per ogni livello di organizzazione.

Emergenza: sottolinea il carattere di “novità”, “non deducibilità” di proprietà appartenenti a un livello superiore e non a quello inferiore. Infatti a ogni livello del reale emergono nuove proprietà che pur non contraddicendo quelle del livello più basso non possono essere derivate da queste.

Es. le spugne sono animali privi di sistema nervoso e sono composte da varie cellule che, se vengono separate, poi tendono sempre a interagire tra di loro e a riformare la spugna.

Es. le cellule epatiche compongono le pareti del fegato, ma non gli conferiscono tutte le proprietà che lo caratterizzano.

Es. in una cordata alpinistica i limiti della cordata non coincidono con i limiti dell’elemento più debole.

1. Autoorganizzazione: è una proprietà emergente dei sistemi complessi, cioè la materia si può organizzare di per sé e dar luogo a strutture dinamiche che prima potevano essere assenti e che non sono caratteristiche dei singoli elementi componenti.

• Feed-back e ridondanza: conferiscono stabilità al sistema.
• Omeostasi: tendenza a conservare il proprio stato stazionario dinamico.
• Omeoresi: tendenza a perseverare nella propria direzione (success).
• Resistenza (R): attitudine a cambiare poco sotto uno stimolo.
• Resilienza (r): attitudine a riprendere rapidamente lo stato iniziale.

Stato di equilibrio stazionario o stato di stabilità dinamica

Vi è equilibrio se le masse, pur con delle fluttuazioni, sono costanti nei singoli comparti. L’eco-organizzazione recupera sotto forma di materie prime tutti i sottoprodotti in una condizione di autosufficienza, in cui le uniche necessità sono l’energia solare e i sali minerali provenienti dalla decomposizione delle rocce.

Il climax è lo stato di equilibrio stazionario verso il quale tendono gli ecosistemi; se il climax viene distrutto da perturbazioni disorganizzatrici, subentra il fenomeno dell’evoluzione.

• Ogni equilibrio ecologico è necessariamente dinamico, poiché è la risultante di un numero di componenti che cambia qualitativamente e quantitativamente nel tempo.

Stato di equilibrio stazionario

In biologia il termine equilibrio è molto radicato nel linguaggio ecologico.

In un ecosistema vi è equilibrio se le masse, a breve o lungo periodo, sono, pur con delle fluttuazioni (per esempio, nei paesi temperati, secondo cicli stagionali), in linea di massima costanti nei singoli comparti.

Lo stato di equilibrio stazionario verso il quale tendono gli ecosistemi viene definito dagli ecologi “climax”: esso può mantenersi indefinitamente, a parità di altre condizioni; se il climax viene distrutto da perturbazioni disorganizzatrici, subentra il fenomeno dell'evoluzione.

Ogni equilibrio ecologico è necessariamente dinamico essendo la risultante statistica di un enorme numero di componenti che cambiano nel tempo.

Alcune delle peculiarità degli organismi

• L’organizzazione strutturale ordinata.
• La riproduzione.
• La crescita e lo sviluppo.
• L’utilizzazione dell’energia in varie forme.
• Le risposte agli stimoli ambientali.
• Gli adattamenti evolutivi.
• L’omeostasi.

All’interno di un sistema

Il fiume e le sue funzioni

• Geomorfologiche e idrologiche: attraverso l’erosione e deposito trasportano sostanze solide e favoriscono la distribuzione di nutrienti; mantengono pulito il bacino idrografico; trasportano e distribuiscono l’acqua; formano e modellano i paesaggi.
• Ecologiche: attraverso il trasporto dei nutrienti, riequilibrano gli apporti tra materiali e nutrienti; favoriscono la formazione di habitat; determinano la diversità del paesaggio.
• Estetico percettivo.
• Antropiche: l’acqua dei fiumi viene utilizzata in ambito agricolo, per uso ricreativo e per bere; depura e conserva la natura; è un bene pubblico che tutti possono utilizzare.

Il bosco e le sue funzioni

• Ecologica: il bosco ha una funzione stabilizzante e antierosiva del suolo e favorisce la depurazione delle acque (funzione protettiva). Qui è dove avvengono i cicli delle componenti gassose e non (polveri) ed ha una forte influenza sui fattori climatici (es. vento, temperatura…), sulle comunità animali e vegetali, sul paesaggio e sulla biodiversità.
• Sociale: escursionistica, estetico-ricreativa, scientifica, culturale.
• Produttiva: viene sfruttato nel settore primario e secondario (per la produzione di legname, in alimentazione e in attività indirette).

Il disboscamento a favore dell’agricoltura e dell’allevamento può portare a un’alterazione dei servizi degli ecosistemi: le forti piogge portano via tutto il nutrimento del suolo e, insieme al vento e all’allevamento, erodono anche i suoli superficiali. Inoltre le forti piogge e la mancanza di radici provocano l’esondazione del fiume, mentre la costruzione di strade crea instabilità nel terreno. Il tutto porta a una diminuzione dell’evapotraspirazione e quindi a un’alterazione dell’ecosistema.

Quindi l’efficacia di un ecosistema dipende dalle complesse interazioni biologiche, chimiche e fisiche che a loro volta vengono condizionate dalle attività umane. La distrofia è la perdita delle funzioni che si verifica quando si banalizza il sistema e diventa così vulnerabile.

La risorsa è un elemento del paesaggio indispensabile alla sopravvivenza del sistema ecologico. Una risorsa rinnovabile è capace di rigenerarsi se gestita in modo opportuno; una risorsa non rinnovabile è una risorsa che non si può rinnovare di cui si rischia quindi una perdita progressiva (suolo, ghiaia, minerali).

Il paesaggio: scala, grana, estensione

Gran parte degli studi ecologici riguardano scale di dettaglio che non sempre possono portare a formazioni esaustive riguardanti scale globali e i risultati ottenuti non possono essere sempre traslati su un’altra scala.

• Tessera è unità ambientale, cioè la più piccola unità omogenea (es. pendio, sponda di un torrente caratterizzato da una associazione vegetale).
• Piastrella o ecotopo è complesso di associazioni (sigmassociazione).
• Paesaggio è la risultante di tutte le strutture e processi.

Un modo comune di quantificare un territorio è di definire un pezzo di terra e calcolare la sua abbondanza. La parte del territorio racchiusa all’interno del quadrato si chiama “percentuale di copertura”. Attraverso questa tecnica si può calcolare la percentuale di copertura suddividendo il territorio in quadrati e contandoli, dividendo, a sua volta, il risultato per il numero di quadrati (ognuno può decidere in quanti quadrati suddividere il territorio).

In pratica, la percentuale di copertura è calcolata costruendo un reticolato sulla mappa. Più è alto il numero dei quadrati utilizzati maggiore sarà la precisione della descrizione di quel territorio (= piccoli quadrati, maggiore precisione).

• Estensione: quando viene cambiata l’area di estensione di studio patch “artificiali” che subiscono un errore di “troncamento”. Le patches non sono elementi fissi di un paesaggio, ma degli artifici che variano a seconda dell’oggetto di studio.
• Grana: maggiore è la grana peggiore è la risoluzione.

Elementi del paesaggio

1. Distribuzione: per schematizzare la distribuzione delle macchie paesistiche bisogna rappresentarle attraverso un cerchio o, se ciò non è possibile, attraverso cerchi più piccoli e ravvicinati per minimizzare la dispersione di energia, ma comunque ridurre al minimo le distanze tra punti raggruppandoli e non rappresentandoli in maniera lineare.
2. Funzione: la disposizione degli elementi condiziona le funzioni e i processi.

In cosa differiscono i vari paesaggi

Due paesaggi possono avere stessi elementi nelle stesse quantità, ma cambiano forma e distribuzione, rendendo un territorio più specializzato di un altro, con più o meno interazioni, ritrovandosi quindi diverso grado di complessità.

Il modello biocenotico viene utilizzato per analizzare la frammentazione degli habitat e lo stato della rete ecologica.

La configurazione del paesaggio

La configurazione del paesaggio dipende da:

1. Cause abiotiche:
   • Clima: la distribuzione dei biomi sulla Terra dipende dai pattern climatici a livello globale, mentre gli effetti della posizione latitudinale e continentale sono modificati localmente dalla topografia, portando a una eterogeneità a scala di dettaglio dei pattern climatici.
   • Morfologia: quota, esposizione, pendenza influiscono sulla temperatura dell’aria e del suolo; la morfologia in sé influisce su flussi di organismi, energia, materia attraverso un paesaggio, ma influisce anche sulla frequenza di disturbi naturali come fuoco o venti.
2. Cause biotiche (competizione):
   • Esclusione per competizione: la competizione tra 2 specie in un paesaggio può