Appunti esame biologia marina

Introduzione alla biologia marina

La biologia marina è lo studio della vita in mare nei suoi molteplici aspetti sistematici, strutturali, organizzativi, ecologici, funzionali, comportamentali ed applicativi. Il biologo marino sviluppa nuovi studi per conoscere gli oceani e la loro vita, sviluppa la ricerca negli ambienti più inesplorati del globo, studia come rendere sostenibile la pesca e come contribuire a risolvere i problemi di fame nel mondo, studia come proteggere l’ambiente con aree marine protette, studia come disinquinare e restaurare l’ambiente marino.

Il biologo marino lavora in ambiente costiero e in mare aperto e la ricerca prosegue poi in laboratorio. Il biologo marino raccoglie campioni, analizza i campioni, analizza i dati raccolti e diffonde i risultati delle sue ricerche. Il biologo marino studia ecosistemi profondi, ecosistemi costieri, ambienti estremi e ambienti impattati.

Il mare copre circa il 71% della superficie terrestre e si estende fino a 11 km di profondità (fossa delle Marianne). Oltre il 95% della biosfera è sott’acqua. Non solo nella colonna d’acqua ma anche nello spessore del fondale marino c’è vita. Oltre il 95% degli oceani è ancora inesplorato. La porzione esplorata degli oceani corrisponde solo al 5% e di questa porzione solo l’1% è stata veramente studiata a fondo. Quindi, la maggior parte della biodiversità è ancora completamente sconosciuta.

La colonna d’acqua è l’ambiente più vasto del pianeta e apparentemente ospita solo animali. In realtà sono presenti anche vegetali. L’uomo esplora il mare da circa 150 anni e negli ultimi 60 anni esplora direttamente gli ambienti profondi.

Esplorazioni storiche e tecnologia

Nel 1950 il francese Cousteau iniziò delle ricerche oceanografiche intorno al mondo. Egli affittò la nave Calypso per il prezzo simbolico di un franco francese l’anno, la ristrutturò e la trasformò in una nave da ricerca e base di supporto per le immersioni e le ricerche oceanografiche. La nave era dotata di numerose apparecchiature per studi di oceanografia e biologia marina, tra cui una sala per osservazioni subacquee posta 3 metri sotto la linea di galleggiamento.

Fu anche girato un documentario che vinse diversi premi. A partire dagli anni ’40-’50 iniziò l’approccio allo scuba diving. Nel 1960 Piccard scese a 10.916 m nella fossa delle Marianne con il batiscafo Trieste. I ROVs sono dei robot guidati da remoto per l’esplorazione degli ambienti marini. L’Alvin è un sommergibile che è stato utilizzato per l’esplorazione dei fondali marini per scopi scientifici. Nel 2012 Cameron scese nella fossa delle Marianne a una profondità di 11.000 m.

Importanza degli oceani e impatti antropogenici

L’avanzamento della tecnologia per l’esplorazione degli oceani è un qualcosa di importantissimo. In mare l’uomo è cacciatore e raccoglitore di risorse e tutt’oggi gran parte della popolazione si sostiene grazie al mare. In mare non ci sono solo risorse alimentari, basti pensare che in mare c’è la Taq polimerasi che utilizziamo per le reazioni di PCR.

I cambiamenti globali e gli impatti antropogenici diretti stanno avendo effetti disastrosi sulla biosfera globale. Nell’ambiente marino, molteplici fattori di stress antropogenici, tra cui il riscaldamento, l’acidificazione degli oceani e lo sfruttamento delle risorse da parte dell’uomo, operano sinergicamente in modo complesso su bacini oceanici. Tutti questi fattori di stress stanno portando a una grave perdita di biodiversità marina e al degrado del funzionamento degli ecosistemi. Molto importanti sono le azioni di restauro degli ecosistemi degradati.

Biodiversità e ecosistemi marini

La maggior parte della vita si nasconde nell’ambiente profondo e quindi sotto i 200 m di profondità. La meiofauna è l’insieme di metazoi che abita i sedimenti. La macrofauna include animali un po' più grandi. La megafauna comprende organismi più grandi come anemoni, ricci, pesci. Batteri e virus sono gli organismi più abbondanti e diversi in assoluto e non sono tutti patogeni. In mare sono presenti 10 batteri e 10 virus. In un litro di acqua di mare sono presenti 2.000 specie di batteri.

La biodiversità è molto importante, infatti dalla biodiversità dipende il funzionamento degli oceani e del sistema Terra. Più biodiversità abbiamo più i nostri sistemi sono resistenti e resilienti. La capacità di resistenza è la capacità di resistere ad una perturbazione esterna; la capacità di resilienza è la capacità di tornare in condizioni di equilibrio dinamico (diverso dall’iniziale) al cessare della perturbazione.

Oltre alla biodiversità in termini di specie (es. pesce pagliaccio di cui esistono almeno 29 specie) bisogna considerare anche la diversità di ambienti. Basti considerare che esistono oltre 30.000-100.000 montagne sommerse alte oltre 1.000 m. Sotto i 3.000-4.000 m di profondità si trovano gli abissi. Le carcasse di balene sono delle oasi fondamentali per il deep sea. Infatti, nel deep sea non c’è cibo. Inoltre, nel deep sea le temperature sono molto basse. Ci sono però delle zone dove la temperatura è altissima. Basti pensare agli hydrothermal vents.

Valore economico degli oceani

Gli oceani producono oltre il 60% del valore dei beni e servizi prodotti dal pianeta per l’uomo. Non esistono ancora stime per gli ambienti marini profondi ma si può stimare che questi possano rendere 43.000 miliardi di dollari per anno. Tuttavia, a partire dalla rivoluzione industriale in poi gli oceani hanno visto un calo drastico della biodiversità con la perdita di numerose specie. L’attuale tasso di estinzione è da 100 a 1.000 volte superiore alla media delle estinzioni della storia del pianeta. Siamo cioè di fronte alla sesta grande estinzione di massa. Questa è proprio causata dalle attività antropiche.

L’estinzione riguarda la perdita del 100% degli individui di una specie mentre il collasso riguarda la perdita del 90% degli individui di una specie. L’approccio per la salute globale è un piano ambizioso per la conservazione della biodiversità, estendendo il concetto di salute che include non solo la salute animale e umana, ma anche la salute globale del pianeta.

I 17 obiettivi di sviluppo sostenibile definiti dalle Nazioni Unite sono degli obiettivi internazionali per porre fine alla povertà, per proteggere il pianeta e assicurare la prosperità nei prossimi 15 anni. Il capitale naturale è l’intero stock di beni naturali – organismi viventi, acqua, suolo e risorse geologiche – che contribuiscono a fornire beni e servizi di valore, diretto o indiretto, per l’uomo e che sono necessari per la sopravvivenza dell’ambiente stesso da cui sono generati. La politica europea del green new deal è quella di proteggere, preservare e ripristinare la biodiversità e rafforzare il capitale naturale in particolare l’aria, l’acqua, il suolo e le foreste, le acque dolci, le zone umide e gli ecosistemi marini.

Ambiente marino

I biologi marini non studiano soltanto le specie presenti in mare ma studiano anche la qualità dell’ambiente e quindi studiano come utilizzare le comunità biologiche per confrontare su diverse scale spaziali e temporali l’impatto di diverse tipologie di inquinamento e il recupero degli ecosistemi degradati. Si occupano inoltre della valutazione socio-economica della biodiversità, dell’esplorazione delle risorse (molte risorse sono inutilizzate in mare a parte la pesca e il mining), della gestione della fascia costiera e dell’educazione, formazione e consapevolezza (terza missione).

La distribuzione degli oceani

Il mare ricopre il 70% della superficie terrestre. Gli oceani non occupano una superficie equivalente nei due emisferi. L’emisfero meridionale è coperto dal mare per circa l’80% mentre l’emisfero settentrionale è coperto dal mare per circa il 61%. Gli ambienti marini sono quindi di importanza strategica per la gestione dell’ambiente globale. Il volume degli oceani è pari a 1332 miliardi di km³. Anche la terra non occupa una superficie equivalente dei due emisferi. La maggior superficie di terra si trova nell’emisfero nord.

Possiamo anche fare un confronto tra profondità degli oceani ed elevazione delle montagne. Quello che si è osservato è che mentre l’altezza media delle montagne è di 840 m (il monte più alto è l’Everest, 8.848 m), la profondità media degli oceani è di 3.682 m (fossa delle Marianne, 11.000 m). Il Mediterraneo è 1/5 dell’Artico e ha una profondità media di 1450 m.

Sedimenti e crosta terrestre

I sedimenti incoerenti sono sedimenti molli (sabbia, fango). I sedimenti consolidati sono invece rocciosi. Lo spessore dei sedimenti varia da 150 m a oltre 11 km. Lo spessore dei sedimenti influenza la distribuzione delle comunità. Infatti, nei sedimenti c’è vita. Lo spessore dei sedimenti dipende dall’età della crosta terrestre. La crosta continentale corrisponde ai continenti e alla loro prosecuzione, nelle immediate vicinanze, sotto il livello del mare. La crosta oceanica costituisce il pavimento degli oceani ed è coperta dalle acque.

Le dorsali oceaniche sono inarcamenti della crosta oceanica. La cresta delle dorsali è percorsa da un profondo solco. Lungo le spaccature che delimitano questo solco risale continuamente magma che solidifica e forma nuova crosta. Il deposito dei sedimenti avviene nella parte adiacente della dorsale.

Topografia dei fondali oceanici

La topografia dei fondali oceanici può essere suddivisa in zone. A partire dalla linea di costa possiamo schematizzarla in 4 zone principali: la piattaforma continentale, la scarpata continentale e la piana batiale, la piana abissale, la fossa adale. Il limite della piattaforma continentale è fissato a 200 m. La scarpata continentale è una zona molto ripida, ha estensione variabile e il limite massimo è fissato a 4.000 m. Segue la piana batiale che corrisponde alla porzione finale non più pendente ma pianeggiante della scarpata continentale.

Tra i 4.000 e i 6.000 m di profondità troviamo la piana abissale. Dai 6.000 m di profondità in giù (fino a 11.000 m) troviamo le fosse adali. La piattaforma continentale è interessata da fenomeni di sedimentazione di materiale organico e inorganico di origine terrigena e che deriva cioè dal continente. La piattaforma continentale può essere più o meno estesa. Questo dipende anche dalla presenza di fiumi. Infatti, dove ci sono foci di fiumi avremo una piattaforma continentale più estesa.

Nelle isole invece le piattaforme continentali sono meno estese. La sedimentazione in genere è costituita da materiale inorganico anche se a volte è importante la componente biogenica (es. sabbie coralline). Il moto ondoso e le correnti in genere controllano i processi di sedimentazione, separano il sedimento fangoso più fine da quello più grossolano e determinano anche delle zone di accumulo.

Questo processo è importante non solo per la formazione di strutture topografiche diverse ma anche per il trasporto di larve, di organismi adulti e determina anche la morfologia delle coste. In mare non ci sono solo correnti superficiali ma ci sono anche delle correnti di fondo che sono in grado di trasportare quantità enormi di fango e possono addirittura creare sul fondale delle ferite chiamate canyon sottomarini o furrows (si formano a partire dalla scarpata e si approfondano lungo la piana abissale, qui c’è un trasporto di materiale dal continente inclusa la spazzatura) o delle zone di accumulo di sedimento dette deep sea fan (correnti torbiditiche). Lo shelf break è un’area ad alta energia con forti oscillazioni di temperatura e di salinità ed è battuta da onde e da correnti. Gli organismi che vivono in questa zona sono quindi capaci di vivere in condizioni estreme.

Zone oceaniche

La scarpata continentale è una zona molto ripida che si estende dal limite della piattaforma continentale fino a un massimo di 4.000 m. La pendenza varia tra i 4 e i 20 gradi. In questa zona avvengono fenomeni importanti come frane che cambiano completamente le caratteristiche di un habitat e delle comunità che ci vivono. In alcuni casi troviamo anche la piana batiale. Correnti di fondo possono trasportare enormi quantità di sedimento e possono scavare i fondali fino alle maggiori profondità. Si formano così le ferite (di cui abbiamo parlato poco più sopra). Queste correnti possono avere delle implicazioni biologiche ed ecologiche molto importanti per l’accumulo di detriti e spazzatura all’interno dei canyon.

La piana abissale si trova tra i 3/4.000-6.000 m di profondità. Questa porzione è molto estesa e occupa l’80% dei fondali oceanici. Le dorsali oceaniche interrompono la continuità delle piane abissali. Sono delle aree che contribuiscono al 23% della superficie terrestre. Qui ci sono fenomeni legati al vulcanismo. Sulla sommità delle dorsali emergono delle isole vulcaniche. Delle porzioni di dorsale oceanica non arrivano proprio alla superficie ma rimangono sommerse. In questo caso si parla di montagne sottomarine (seamount). Si tratta di zone molto importanti e molto pescose. Le elevazioni di queste montagne sono in genere superiori ai 1.000 m. I guyot sono isole vulcaniche che sono state coperte dalle acque e che però a differenza degli atolli non vengono colonizzate da coralli.

Le fosse oceaniche sono strette incisioni nei fondali che si formano dove due placche tettoniche convergono e una delle due sprofonda fino al mantello, che è la porzione intermedia tra crosta e nucleo. Questo fenomeno prende il nome di subduzione. Contribuiscono poco alla superficie dei fondali (1%). Il volume degli oceani viene suddiviso in dominio pelagico e in dominio bentonico. Il dominio pelagico o planctonico è l’insieme del volume delle acque. Il dominio bentonico è l’insieme dei fondali marini. Dominio pelagico e bentonico vengono suddivisi in zone.

Zone pelagiche e bentoniche

La zona pelagica va dai 0 ai 200 m di profondità. La zona mesopelagica varia tra i 200 e i 1.000 m di profondità. La zona batipelagica si estende dai 1.000 fino a massimo i 4.000 m di profondità. Sotto alla zona batipelagica si trova l’abisso pelagico e sotto all’abisso pelagico si trova la zona adopelagica (11.000 m di profondità). Tutte queste zone includono l’acqua che si trova nel dominio pelagico. Inoltre, il dominio pelagico può essere suddiviso in provincia neritica e in provincia oceanica. La provincia neritica è quella che copre la piattaforma continentale e quindi le acque vicino al continente. Invece, la provincia oceanica è quella che copre tutto il resto delle zone, ossia le acque più lontane dal continente.

In base alla profondità di penetrazione della luce si distinguono: zona fotica (tra 20 e 150 m di profondità, qui si ha la massima penetrazione della luce e qui avviene la fotosintesi), zona disfotica (tra 150 e 200 m di profondità, qui la luce non è più sufficiente per l’attività fotosintetica) e zona afotica (oltre i 600 m di profondità c’è il buio pesto, qui avviene solo la chemiosintesi). Ogni ambiente ha inoltre una penetrazione che può variare (vd. acqua di Senigallia e acque delle Maldive).

Mappatura dei fondali e proprietà dell'acqua di mare

Il fondale oceanico viene mappato mediante side scan sonar. Il sonar emette un raggio sonoro verso il fondo del mare. Quando questa onda colpisce un oggetto ritorna al ricevitore. Questo percorso viene registrato in un sonogramma. Esistono due tipi di sonar: single-beam sonar (a singolo raggio) e multi-beam sonar (a multiraggio, misura simultaneamente la profondità di moltissimi punti e mappe aree più ampie). Le onde inviate dai sonar contribuiscono però all’inquinamento acustico, che è la causa principale dello spiaggiamento dei cetacei.

L’acqua esiste in natura in tutti gli stati della materia. Gli atomi di idrogeno sono legati all’ossigeno in maniera asimmetrica attraverso legami covalenti formando un angolo di 105 °C. Nonostante la molecola d’acqua sia neutra, la simmetria data dai legami impone un certo squilibrio elettrico e dà luogo a un dipolo elettrico. Questo fa sì che le molecole di acqua si leghino tra loro attraverso legami idrogeno. L’acqua sostiene i corpi molto più dell’aria (principio di Archimede: ogni corpo immerso in un fluido subisce una forza diretta dal basso verso l’alto di intensità equiparabile alla forza peso del fluido spostato). Le proprietà e le caratteristiche dell’acqua di mare sono determinate dai legami idrogeno tra le varie molecole.

L’acqua ha un’alta temperatura di fusione e di ebollizione. I legami a idrogeno devono infatti essere spezzati affinché avvengano i passaggi di stato. A parità di massa la quantità di energia necessaria a innalzare la temperatura dell’acqua di 1 °C è 3.300 volte più alta di quella dell’aria. L’acqua di mare ha quindi una elevata capacità termica. Queste proprietà sono importanti perché hanno un effetto non solo sul clima ma anche sulla biologia degli organismi. Anche a temperature prossime ai -2 °C l’acqua di mare non congela e resta fluida. Infatti, per effetto della pressione e della salinità l’acqua di mare ha un punto crioscopico molto basso.

L’acqua di mare è anche caratterizzata da una elevata tensione superficiale. La tensione superficiale è quella forza di coesione tra le molecole d’acqua all’interfaccia con l’aria. Queste due ultime proprietà influenzano il galleggiamento degli organismi marini. Molte delle proprietà dell’acqua di mare sono però dovute alla presenza del sale. L’acqua di mare essendo polare è considerata un buon solvente e all’interno di quest’acqua si sciolgono più di 90 elem...