Ecologia

Ecologia e termodinamica

L'ecologia è una scienza multidisciplinare, definita come lo studio della distribuzione e dell'abbondanza delle interazioni tra gli organismi e il loro ambiente. Ci sono molte varianti di ecologia, tra cui ecologia fisiologica, di popolazioni, di comunità, di ecosistemi e del paesaggio.

La termodinamica è la scienza che studia le trasformazioni di energia nei sistemi, che possono essere aperti (come gli ecosistemi), chiusi o isolati. Un sistema è un insieme di corpi, distinto dall'ambiente, che è tutto ciò che si trova al di fuori di un sistema. Ci sono varie forme di energia, ad esempio l'energia cinetica (associata al movimento dei corpi) e l'energia potenziale (energia accumulata in una massa a riposo, disponibile per produrre lavoro).

Le leggi della termodinamica

Prima legge della termodinamica (o legge della conservazione dell'energia): in tutte le trasformazioni chimiche e fisiche, l'energia non si crea e non si distrugge, può soltanto essere trasformata, quindi, può cambiare di qualità ma non di quantità.

Seconda legge della termodinamica (o legge della degradazione dell'energia): nelle trasformazioni di energia da una forma in un'altra, la capacità dell'energia a compiere un lavoro diminuisce, quindi, non è possibile convertire tutta l'energia in lavoro e l'entropia del sistema tende ad aumentare.

Gli ecosistemi

Un ecosistema è un'unità che comprende tutti gli organismi di una data area (comunità biotica) interagenti con l'ambiente fisico, in modo tale che ci sia un flusso di energia che porta a strutture biotiche ben definite e a un riciclo della materia tra componenti viventi e non.

La materia è qualsiasi cosa provvista di massa che occupa uno spazio. L'energia è la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro meccanico, chimico o fisico ed è visibile solo attraverso l'effetto che esercita sulla materia. L'ecologo di ecosistemi, quindi, non sarà interessato al numero di specie presenti in un ecosistema, piuttosto considera il ciclo dei nutrienti e l'output totale che le specie forniscono in termini di produttività primaria.

L'ecosistema può essere schematizzato come una scatola con confini definiti, intorno ad esso troveremo l'ambiente in entrata (energia e materiali) e l'ambiente in uscita (energia e materiali trasformati). In un ecosistema le tre componenti principali sono: la comunità biotica, il flusso di energia e il ciclo della materia.

All'interno del sistema ci sono vari componenti della comunità, alcuni autotrofi altri eterotrofi, che scambiano energia in materia, una parte dell'energia viene dissipata come calore e la materia (i nutrienti) circola nel sistema tramite una via di entrata e una di uscita.

Energia negli ecosistemi

L'energia entra nel sistema dall'ambiente tramite gli organismi autotrofi, che possono essere fotosintetici (organismi che trasformano l'energia radiante in energia chimica) e chemiosintetici (batteri che utilizzano substrati inorganici per produrre ATP e NADPH per fissare la CO₂ in carboidrati). Solo l'1% della radiazione solare che colpisce la terra è utilizzata dagli autotrofi ed entra nel sistema, il resto viene riflessa oppure non è utilizzabile.

CO₂ + H₂O + energia luminosa ↔ (CH₂O) + O₂. La fotosintesi avviene nei cloroplasti ed è caratterizzata da una fase luminosa il cui risultato saranno molecole di ATP e NADPH che poi, durante la fase oscura, produrranno composti organici dalla CO₂ e dalla RuBisCO (enzima). Il tasso di fotosintesi è la quantità di CO₂ consumata in un'unità di tempo e dipende da luce, CO₂ e acqua; all'aumentare della radiazione luminosa aumenta la fotosintesi.

Il punto di compensazione è il punto in cui la quantità di CO₂ fissata e consumata dalla respirazione si eguagliano. Il punto di saturazione è il punto in cui si raggiunge la massima velocità fotosintetica, quindi, all'aumentare della luce non aumenta più il tasso fotosintetico. Questo avviene perché le molecole di clorofilla sono un certo numero, e quando sono sature non assorbono più luce.

L'efficienza è la proporzione tra quanto viene prodotto e quanta luce è presente; più ci avviciniamo al punto di saturazione e più questa diminuisce, e di conseguenza anche il tasso di fotosintesi. La forma delle piante è modellata dalla necessità di ottimizzare la fotosintesi in relazione a luce, CO₂ ed acqua presenti nel suo ambiente.

Produzione primaria

Se analizziamo specie vegetali che vivono in ambienti differenti, notiamo che il plateau viene raggiunto a diverse grandezze; una pianta adattata ad un ambiente con meno radiazioni luminose avrà un tasso fotosintetico minore di una pianta che vive in un ambiente con alta intensità luminosa, questo perché ciascuna pianta lavora al massimo delle proprie possibilità. Se la quantità di CO₂ nell'aria aumenta, aumentano anche il tasso fotosintetico ed il punto di saturazione.

L'acqua entra all'interno della pianta tramite le radici, percorre tutte le strutture ed esce dagli stomi che, quindi, non devono rimanere aperti troppo per evitare che la pianta si disidrati. Allo stesso tempo, però, l'apertura degli stomi è essenziale per regolare la temperatura e per far entrare CO₂, quindi deve esserci un equilibrio.

Il problema della fotosintesi C₃ è che sia la CO₂ che l'ossigeno reagiscono con la RuBisCO, e questo riduce l'efficienza. In alcune piante, infatti, più del 50% del carbonio fissato dalla fotosintesi viene poi riossidato durante il ciclo di Calvin. Le piante che utilizzano questo tipo di fotosintesi, per ovviare al problema, aprono gli stomi e fanno entrare più CO₂. Il problema si pone in ambienti aridi in cui la pianta non può aprire gli stomi altrimenti incorrerebbe nella disidratazione.

Le piante che vivono in ambienti aridi utilizzano la fotosintesi C₄, in queste piante la fase luminosa ed il ciclo di Calvin sono tenuti separati; la CO₂ entra e non viene inserita subito nel ciclo di Calvin, viene accumulata finché gli stomi non vengono chiusi, dopodiché inizia il ciclo. Un adattamento simile è quello delle piante CAM, che spesso vivono in ambienti aridi e salini, in questo caso la separazione non è spaziale ma temporale: gli stomi vengono aperti di notte e fanno entrare CO₂ che viene utilizzata nel ciclo di Calvin di giorno quando gli stomi sono chiusi.

La fotosintesi rappresenta la quantità di CO₂ che viene convertita in composti organici dagli organismi autotrofi nell'unità di tempo. Si possono distinguere:

• Produzione primaria lorda: quantità di energia totale che viene assimilata dagli autotrofi, quindi la somma tra produzione primaria netta e respirazione cellulare, può essere espressa in Kcal/m² annuo oppure in g/m² annuo. La respirazione cellulare rappresenta l'energia che gli organismi utilizzano per le funzioni metaboliche e per il mantenimento cellulare.
• Produzione primaria netta: circa il 50% del carbonio fissato dalla fotosintesi viene consumato dalla respirazione, il restante è definito produzione primaria netta, ossia la quantità di energia catturata dagli autotrofi che si traduce in aumento della materia vegetale vivente. Rappresenta l'ingresso totale netto di carbonio nell'ecosistema e questo tipo di energia sarà poi disponibile per gli eterotrofi.

L'allocazione della produzione primaria netta è quel concetto per cui la quantità di biomassa prodotta dalla pianta viene concentrata nel punto che ne ha maggior necessità, ad esempio in un ambiente in cui vi è carenza d'acqua, la pianta allocherà più biomassa nell'apparato radicale poiché quest'ultimo è addetto alla raccolta di acqua e dei nutrienti in generale.

Produzione primaria negli ecosistemi

La produzione primaria netta si può stimare:

• Negli ecosistemi terrestri:
• Misurando la biomassa (epigea ed ipogea, le radici sono la parte principale sia per quantità che per interazioni con l'ambiente, per la loro misurazione) in un determinato momento e rimisurarla dopo un certo periodo, la differenza rappresenterà la quantità di biomassa effettivamente disponibile.
• Tramite satellite (telerilevamento), in questo caso non avremo un numero preciso ma una stima grazie alla quale si può creare una cartina della distribuzione geografica della biomassa; la massima produzione primaria la troviamo all'equatore.
• Tramite misurazioni della variazione di CO₂ dovute alla respirazione di autotrofi ed eterotrofi. La differenza tra produzione primaria lorda e la respirazione degli organismi ci darà la produzione ecosistemica netta.
• Negli ecosistemi acquatici:
• Metodo della bottiglia chiara e della bottiglia scura: si riempiono entrambe le bottiglie di acqua e fitoplancton ed immergiamo le due bottiglie una accanto all'altra, nelle bottiglie si misura poi la variazione di ossigeno. Nella bottiglia chiara avverranno la fotosintesi (autotrofi) e la respirazione (autotrofi ed eterotrofi). Nella bottiglia scura avverrà solo la respirazione poiché non penetra la luce. Le misurazioni di ossigeno della bottiglia chiara indicano la produzione primaria netta poiché avvengono sia fotosintesi che respirazione e la quantità di ossigeno aumenterà con lo scorrere del tempo, nella bottiglia scura, invece, la quantità di ossigeno diminuirà poiché non c'è fotosintesi a produrne altro. Per calcolare la produzione primaria lorda, quindi, avremo bisogno di produzione primaria netta (bottiglia chiara) e respirazione (bottiglia scura).
• Telerilevamento: tramite misurazione della concentrazione di pigmenti fotosintetici, le aree con maggiore produzione primaria sono quelle in corrispondenza delle terre emerse (grazie alla maggior quantità di elementi disciolti in acqua) e dei circoli (grazie alle correnti).

Fattori che limitano la produzione primaria netta

I fattori che limitano la produzione primaria netta sono:

• Negli ambienti terrestri:
• Fattori climatici: all'aumento della durata del periodo fotosintetico (ossia il periodo vegetativo, dalla primavera all'autunno) c'è un aumento della produzione primaria. La produzione primaria, inoltre, aumenta all'aumentare delle precipitazioni poiché una maggior quantità di acqua comporta che le piante possono aprire di più i loro stomi e far entrare maggiori quantità di gas utili per la fotosintesi senza rischiare l'essiccamento. Un eccesso di precipitazioni, però, causa una diminuzione della produzione primaria poiché un cielo nuvoloso troppo a lungo riduce la quantità di luce disponibile e, inoltre, il suolo verrebbe dilavato. La produzione primaria aumenta anche all'aumentare delle temperature. Sia per le precipitazioni che per le temperature, la produzione primaria aumenta fino a raggiungere un plateau oltre il quale i valori non salgono. Inoltre, la produttività primaria sarà più alta nell'emisfero nord grazie alla maggior quantità di terre emerse rispetto all'emisfero sud. In generale la produzione primaria netta sarà maggiore tanto più saranno elevate le temperature, le precipitazioni e la stagione di crescita sarà più lunga.
• Nutrienti: più sono alti i livelli di azoto e più aumenterà la produzione primaria. Per studiare quali nutrienti e quanto influenzano la produzione primaria si aggiungono determinate quantità di diversi nutrienti e se ne studiano le conseguenze. Negli esperimenti di fertilizzazione di Bowman, per esempio, sono stati trattati quattro lotti sperimentali, uno con solo azoto, uno con solo fosforo, uno con azoto e fosforo ed uno senza nessuna aggiunta (la maggior crescita di biomassa l'abbiamo con l'aggiunta di fosforo e azoto). Questo esperimento venne fatto sia su un prato umido che su un prato secco, in entrambi i casi la produzione primaria netta aumentava, ma molto di più nel prato umido.
• Negli ambienti acquatici:
• Nei laghi:
• Nutrienti: negli esperimenti di fertilizzazione di Schindler in due aree lacustri sono stati aggiunti in un'area azoto, fosforo e carbonio, nell'altra area azoto e carbonio. Nell'area in cui era presente anche il fosforo c'è stato un massiccio aumento della produzione primaria grazie ad una maggiore fioritura di cianobatteri. Il fosforo è quindi un elemento fondamentale per la produttività primaria nei laghi, infatti, più ce n'è e più aumentano anche i livelli di clorofilla.
• Luce: la produzione primaria netta, a differenza della respirazione, varia a seconda della profondità, maggiore è la profondità e minore sarà la produzione primaria netta, fino a giungere ad un punto detto profondità di compensazione in cui la produzione primaria lorda eguaglia la respirazione e quindi la produzione primaria netta è uguale a zero.
• In fiumi e torrenti:
• Correnti: le correnti portano via i nutrienti, pertanto diminuiscono la produzione primaria netta.
• Luce: legata sia alla profondità che alla torbidità dell'acqua.
• Nei mari:
• Nutrienti: tramite esperimenti di fertilizzazione si è constatato che i nutrienti che maggiormente influenzano la produttività primaria in ambiente marino sono azoto e ferro. Il ferro aumenta la quantità di cianobatteri, quindi aumenta la fissazione di azoto, questo aumenta i nutrienti disponibili per i fitoplancton e quindi causa un aumento della produzione primaria. L'aumento della fotosintesi porta ad una diminuzione di CO₂ (gas serra) e quindi ad una diminuzione della temperatura.
• Posizione geografica: la produttività primaria sarà più elevata in corrispondenza delle coste e degli estuari, inoltre è più elevata alle medie latitudini e ove si verificano fenomeni di upwelling (risalita di acque profonde ricche di nutrienti).

In generale la produttività primaria netta terrestre e oceanica sono quasi equivalenti. La fonte energetica che sostiene la produttività primaria è la radiazione solare, di cui solo l'1% è utilizzabile dagli autotrofi. Per valutare l'efficienza della produzione primaria bisogna verificare quanto di questo 1% viene utilizzato e quanto viene perso; l'efficienza ecologica, infatti, viene definita come energia in uscita su energia in entrata.

Livelli trofici negli ecosistemi

La produzione primaria netta prodotta entra poi nell'ecosistema e alimenta i restanti livelli trofici dell'ecosistema. Un livello trofico è un anello della catena alimentare attraverso il quale fluisce l'energia, ciascun livello si basa sul numero di passaggi che lo separano dagli autotrofi ed è collegato al livello successivo tramite un flusso di energia.

• Il primo livello è composto dai produttori primari, quindi gli organismi autotrofi.
• Nel secondo livello sono compresi i consumatori primari, ossia gli erbivori ed i detritivori (effettuano la decomposizione).
• Successivamente ci sono i consumatori secondari, cioè i carnivori primari.
• Infine i consumatori terziari, quindi i carnivori secondari.

Le catene trofiche (insieme dei processi ecologici relativi all'ecosistema) sono due:

• La catena del pascolo: si basa sulla presenza di biomassa vegetale viva.
• La catena del detrito: si basa sulla presenza di sostanza organica morta o di detrito.

Produzione secondaria

Rappresenta la formazione di massa vivente da parte degli organismi eterotrofi nell'unità di tempo. Il tasso di produzione secondaria equivale alla velocità di immagazzinamento dell'energia da parte degli eterotrofi e può essere espresso in Kcal/m²a o in g/m²a. La produzione primaria netta può essere suddivisa in:

• Non consumata: si trasforma in detrito, ad esempio gli scarti di cibo degli eterotrofi o la biomassa morta degli autotrofi.
• Consumata: l'efficienza di consumo equivale a porzione consumata su porzione non consumata, la parte consumata può essere poi suddivisa in:
• Espulsa: per mezzo di feci ed urine.
• Assimilata: l'efficienza di assimilazione equivale a porzione assimilata su porzione ingerita, la parte assimilata è poi divisa in:
• Respirazione.
• Produzione secondaria (biomassa): l'efficienza di produzione è porzione utilizzata per produrre biomassa su porzione assimilata.

Questa efficienza dipende da:

• Qualità del cibo: maggiore nel caso di carnivori (circa l'80%) e minore in caso di erbivori (circa il 20–50%), questi ultimi, infatti, dovranno assumere quantità maggiori di cibo.
• Fisiologia degli organismi: gli endotermi assimilano l'energia in maniera più efficiente però ne consumano di più per regolare la loro temperatura corporea, gli ectotermi assimilano l'energia in maniera meno efficiente ma ne consumano meno e quindi la loro efficienza risulta maggiore.

Anche la taglia degli animali influenza l'efficienza di produzione, infatti, animali più grandi hanno un tasso di efficienza maggiore rispetto ad animali più piccoli poiché questi ultimi disperdono maggiori quantità di calore.

Piramidi ecologiche

Charles Elton realizzò che il numero e la quantità di biomassa degli autotrofi era maggiore del numero degli erbivori, che a loro volta erano di più rispetto ai carnivori, grazie a ciò egli creò delle piramidi. Elton pose il motivo di queste strutture piramidali nel fatto che gli animali più piccoli disperdono maggiori quantità di calore.