Ecologia con laboratorio

Ecologia con laboratorio

Che cos'è l'ecologia?

L'ecologia (dal greco: oikos "casa" e logos "studio") è l'analisi scientifica delle interazioni tra gli organismi e l'ambiente. Questa definizione è soddisfacente se consideriamo relazioni ed ambiente nel loro significato più completo: l'ambiente comprende non solo le condizioni fisiche ma anche le componenti biologiche o viventi che formano il contesto che circonda un organismo; le relazioni includono sia le interazioni con il mondo fisico sia quelle con i membri della propria e di altre specie.

L'ecologia è una scienza quantitativa che fa riferimento ai dati e quindi alla matematica. Il padre fondatore è Haeckel (1866), ma i concetti fondamentali derivano sicuramente da una chiave di lettura fondamentale perché un qualsiasi ecosistema che siamo considerando è il risultato di un equilibrio e questo è filtrato dalla selezione naturale.

"L'ecologia non è una scienza descrittiva, ma permette di esaminare i processi che controllano l'abbondanza e la distribuzione degli organismi".

Ecosistema e interazioni

L'ambiente o ecosistema in cui ciascun organismo effettua questa lotta per l'esistenza è un luogo fisico definito nel tempo e nello spazio: esso può essere di vaste dimensioni e stabile come un oceano oppure piccolo e temporaneo come una pozzanghera. Ovviamente questo ambiente include l'insieme di tutte le condizioni fisiche, sia di tutti gli svariati organismi coesistenti all'interno dei suoi confini.

Un aspetto molto importante sono le interazioni tra le componenti biotiche (atmosfera, clima, suolo, acqua e nutrienti) e abiotiche (piante, animali, funghi, batteri). Le relazioni sono complesse poiché ciascun organismo non risponde semplicemente all'ambiente fisico ma allo stesso tempo lo modifica, determinandone alcune caratteristiche e quindi diventandone parte.

Ecosistema (Odum 1963)

È l'unità che include gli organismi che vivono in una certa area (biocenosi) e l'ambiente fisico con cui interagiscono (biotopo) in modo tale che il flusso di energia mediato da processi biologici porti ad una ben definita struttura biotica e ad una ciclizzazione dei materiali fra viventi e non viventi all'interno del sistema. La chiave di tutto questo è proprio l'energia solare. Anche se esistono ecosistemi alternativi al sole, ma sono molto rari.

Sistemi ecologici

• Individuo: Quali sono i fattori fisici che ne condizionano la sopravvivenza, crescita e riproduzione?
• Popolazione: Dinamica e quali fattori la condizionano?
• Comunità: Interazioni con le altre specie? Quali sono i fattori che influenzano la distribuzione delle specie nelle comunità?
• Ecosistema: In che modo le variazioni fisiche esterne condizionano la produttività di questo ecosistema? Come si trasferiscono energia e nutrienti all'interno del sistema?
• Paesaggio: In che modo i fattori fisici antropici influenzano il mosaico di ecosistemi? Come sono distribuiti gli ecosistemi e come si muovono le specie?
• Biosfera: Qual è il ruolo dei biomi forestali a livello globale nel ciclo del carbonio? Come avvengono gli scambi tra energia e materie?
• Bioma: Quali sono i fattori climatici e geologici che condizionano gli ecosistemi a livello continentale? Come varia geograficamente la biodiversità?

Ecologia storica e vegetale

L'ecologia ha delle radici molto differenziate e quella vegetale trova la sua origine in Grecia con Teofrasto; allo stesso modo si possono evidenziare moltissime ramificazioni.

Esempio di ricerca ecologica

1. Osservazione: Pesci morti nel fiume.
2. Interrogativi: Come sono morti?
3. Ipotesi: Sono morti per cambiamenti di temperatura, inquinanti, etc. (tra queste ce ne sono sicuramente più adatte di altre).
4. Previsioni: Analizzando il pesce (non posso comporre una teoria sulla base di un solo campione, ma deve essere quantitativamente significativo).
5. Per accertarmi che la mia ipotesi sia veritiera dovrò raccogliere i dati, ma questa raccolta può avvenire secondo due metodologie: diretto (sul campo) ed indiretto (in laboratorio); nel primo si ha maggiore verosimiglianza ma condizioni non completamente controllabili mentre il secondo condizioni controllate ma poca verosimiglianza.

A livello grafico si può rappresentare attraverso un grafico a dispersione; si possono avere diverse risposte: negative, positive o di altro tipo ed il grafico classico è quello quadratico quindi con una risposta parabolica.

Il rapporto tra struttura e funzione è una chiave ideale per capire quali siano gli elementi che consentono ad una specie di sopravvivere in un dato ambiente, ovvero assimilare energia, riprodursi, rispondere a stimoli esterni. Quindi le caratteristiche quali: fisiologiche, morfologiche e comportamentali e i vari cicli riflettono gli adattamenti specifici ad un determinato ambiente. Quindi gli adattamenti sono l'insieme di caratteristiche che permettono ad un organismo di vivere con successo in un ambiente, che preclude la possibilità di colonizzare altri ambienti in modo efficace poiché presenterebbe condizioni diverse. Se ad esempio abbiamo 1,7 milioni di specie = 1,7 milioni di strategie possibili.

Selezione naturale

È il successo (capacità di sopravvivenza e riproduzione) differenziale degli individui in una popolazione, che dipende dalla loro interazione con l'ambiente. È il prodotto di due condizioni:

• L'insorgenza di variazioni rilevanti tra gli individui nell'ambito di una popolazione per quanto riguarda qualche caratteristica ereditabile.
• Il fatto che queste variazioni comportino differenza di sopravvivenza e riproduzione tra gli individui nelle potenzialità di sopravvivenza e riproduzione.

NB: Gli individui meno adattati vengono naturalmente eliminati.

"Tra gli individui che effettivamente si riproducono, alcuni avranno una prole più numerosa di altri. Questi individui sono da considerarsi più adatti («more fit»), perché contribuiscono maggiormente alla generazione successiva. Gli organismi che non lasciano prole o quasi danno un contributo nullo o scarso alle generazioni che seguono, e sono quindi meno adatti («less fit»)" Darwin, 1859 – The Origin of the Species.

Fitness = si misura dall'entità del contributo che riesce a dare alle future generazioni (successo riproduttivo a lungo termine). Sotto l'influsso di determinate condizioni ambientali alcuni individui vengono selezionati naturalmente inducendo cambiamenti nelle proprietà delle popolazioni tramite il processo dell'evoluzione.

Adattamenti = caratteri ereditabili comportamentali, fisiologici o morfologici evolutisi nel tempo tramite il processo di selezione naturale tale da mantenere o aumentare la fitness di un organismo. L'adattamento ha effetti sulla fitness e governa le relazioni tra organismi.

Genetica e selezione naturale

La genetica e la selezione naturale: variazioni di frequenze alleliche in una popolazione.

Pool genico: somma dell'informazione genetica (alleli) portata dagli individui della popolazione.

La variazione totale di una popolazione può essere quantificata in modi diversi, le misure fondamentali infatti sono:

• Frequenza allelica/genotipica: frequenza di un dato allele o un dato genotipo rispetto a tutti gli alleli o genotipi presenti in una popolazione.

Evoluzione: insieme dei cambiamenti nelle proprietà delle popolazioni di organismi che avvengono nel corso delle generazioni per selezione naturale.

Evoluzione fenotipica: cambiamento della media o della varianza di un tratto fenotipico nel corso delle generazioni dovuto a variazione delle frequenze alleliche nella popolazione. NB: Agendo sul fenotipo, la selezione naturale modifica le frequenze alleliche all'interno di una popolazione.

Esempio: Fattori ambientali che inducono divergenza genetica, studio di documentazione dell'evoluzione dei fringuelli delle Galapagos. Nel 1975 aveva una propria distribuzione con una conformazione del becco particolare, nel 1977 si registrò una grave siccità che portò ad una drastica produzione di propaguli e ad un inspessimento del guscio. Questo si rifletté sui fringuelli stessi che, non solo si ridussero dell'85%, ma si adattarono geneticamente con un becco differente a causa della dieta diversa a cui erano andati incontro e quindi portò ad avere un diverso comportamento trofico.

Infatti, i fringuelli abituati a nutrirsi tendenzialmente di semi spessi e grandi presentavano morfologia del becco più grande e di maggior spessore; al contrario dei fringuelli abituati a cibarsi di semi piccoli e teneri, che avevano un becco sottile e piccolo.

Tipologie di selezione

• Direzionale: sposta la media di una popolazione a favore dell'esterno.
• Stabilizzante: favorisce organismi con valori prossimi alla media della popolazione.
• Divergente: aumenta la frequenza di entrambi gli estremi.

Solo la selezione naturale (differenze nella fitness relativa di individui nella popolazione) porta all'adattamento perché è l'unico processo in cui i cambiamenti delle frequenze alleliche da una generazione alla successiva sono il risultato delle differenze nella fitness relativa di individui nella popolazione.

Ma vi sono altri meccanismi che possono innescare dei fenomeni di selezione, o meglio producono degli effetti sulla variabilità genetica di una popolazione → alterazioni delle frequenze alleliche:

• Migrazioni = spostamento di individui tra popolazioni locali.
• Deriva genetica = cambiamento casuale delle frequenze alleliche, è l'equivalente evoluzionistico dell'errore di campionamento, ovvero ogni generazione la discendenza rappresenta solo un campione o sottoinsieme del pool genetico parentale.
• Mutazioni = cambiamenti ereditabili in un gene o un cromosoma e il termine si riferisce sia al processo di alterazione di un gene o cromosoma sia al risultato di un gene o cromosoma alterato. Una mutazione inoltre può avere effetti vantaggiosi o svantaggiosi ma dipende anche dalle condizioni ambientali.
• Variazioni ambientali
• Selezione sessuale

Esempio: I prodotti dell'evoluzione tramite selezione naturale del camoscio (vedere lezione anno prima).

La variabilità genetica determina divergenza genetica: clini ed ecotipi.

Cline: cambiamento misurabile e graduale nell'ambito di una regione geografica della media di qualche carattere fenotipico e quindi taglia, colore e gradiente di frequenza genotipica. I clini sono associati ad un gradiente di un fattore ambientale quindi luce e umidità.