ecologia in scienze biologiche

Ecologia

Ecologia: Dal greco oikos + logos = discorso/studio della casa. Studia struttura e funzionamento di un ecosistema e analizza i rapporti che intercorrono tra la componente biotica (organismi, anche tra loro) e la componente abiotica (gli ambienti che questi popolano). Non si occupa della gestione della casa (come l’economia) ma del capitale naturale in termini, non di PNL, ma unità di energia. E cioè tutti i vantaggi e gli svantaggi che un ecosistema apporta alla società umana, consentendo la risoluzione di problemi e la formulazione di previsioni per contrastare le problematiche della società.

Storia dell'ecologia

Fino alla Rivoluzione Agricola pochi individui poi (esclusa la peste nera del 14° secolo che ridusse la popolazione del 25%) dalla Rivoluzione Industriale (1790-1870):

• 1804: 1 miliardo di individui
• Successivamente 150 anni per raggiungere 3 miliardi
• Solamente 12 anni per passare da 5 a 6 miliardi

Negli ultimi 2 secoli la popolazione è cresciuta dell’80%. Durante il 21° secolo la popolazione umana si è triplicata. Il padre fondatore dell’ecologia fu Heckel 1866, che coniò il termine ecologia “studio della casa” nel suo libro “Morfologia degli Organismi” che trattava lo studio delle relazioni che intercorrono tra gli organismi tra questi e l’ambiente. Secondo Darwin l’organizzazione/l’ordine che era presente nei sistemi ecologici era il risultato del rapporto dato dalla lotta per la sopravvivenza che nasce tra i vari individui che popolano tali sistemi. “È la lotta per la sopravvivenza che ordina gli ecosistemi” quest’idea piacque a Heckel. Ecologia è lo studio di tutte quelle interrelazioni complesse che Darwin ha chiamato condizioni della lotta per la sopravvivenza.

Origini dell'ecologia

L’ecologia in realtà nasce dall’unione di studi naturalistici + studi demografici. Prima di Heckel (1866), ci fu Buffon che nel corso del 1700 introdusse il concetto di funzione equalizzatrice del predatore su individui di specie diversa dalla propria. A fine 1700 Malthus introdusse il concetto di crescita esponenziale della popolazione umana in risposta ad elevate quantità di cibo: la popolazione crescerà esponenzialmente fino ad esaurire le risorse e poi collasserà. Nel “saggio sulla popolazione” di Malthus egli afferma che il cibo cresce aritmeticamente mentre la popolazione cresce geometricamente e questo porta alla crescita sproporzionata del numero di individui fino all’esaurimento del cibo con incremento di malcontento, povertà, crimine, inquinamento, ecc. Soluzione: riduzione della natalità.

Nel 1838 Verhulst, statista belga, descrive graficamente la curva logistica della crescita della popolazione in caso di scarsità di cibo (diversa da quella esponenziale). Mobius introduce il concetto di comunità biologica: biocenosi a fine 1800 in riferimento ad una comunità di ostriche. Ross nel 1911 introduce il concetto di ecologia applicata analizzando i rapporti tra mondo naturale e salute pubblica. Nel 1919 esce il primo numero della rivista Ecology. Nel 1924 Volterra e Lotka introducono i primi modelli ecologici unendo biologia e matematica e fornendo così i concetti di predazione, competizione e simbiosi tra le diverse specie. Odum nel 1963 introduce il concetto di studio ecosistemico.

L'ecologia moderna

Studia gli organismi: in che numero si trovano, i loro ambienti, che relazioni intercorrono tra loro e il loro numero: cause della loro distribuzione nello spazio e nel tempo.

Scenario attuale

Un mondo diviso:

• Povero: giovane, cresce rapidamente in densità e con mortalità giovanile. Sud America, Asia, Africa.
• Ricco: vecchio, popolazione poco densa e con un basso tasso di mortalità, ma anche un basso tasso di nascite. Quindi cresce lentamente. Europa occidentale, Nord America, Giappone.

Chi produce il maggior numero di rifiuti ed inquinanti? La popolazione ricca, del consumismo. Grazie all’ecologia è possibile analizzare e provare a contenere gli effetti delle attività antropiche sull’ecosistema. (Ecologia applicata)

Termini e concetti fondamentali

• Ecosfera: insieme di più ecosistemi e loro interazioni con fattori abiotici.
• Paesaggi: gruppi di più ecosistemi.
• Ecosistema: comunità in relazione con i fattori abiotici es. foresta.
• Biomi: ecosistemi con vegetazione dominante es. faggeta.
• Comunità: insieme di popolazioni che interagiscono in un ecosistema.
• Popolazione: insieme di individui di una stessa specie che interagiscono tra loro e con i fattori esterni.

Include anche lo spettro biologico: individuo/organismo, apparato, organo, tessuto, cellula.

Definizione attuale di ecologia

MIUR Ecologia BIO/07: Il settore si occupa delle relazioni degli organismi autotrofi ed eterotrofi con il loro ambiente, con particolare riguardo a distribuzione, storia evolutiva, risposte all'ambiente fisico e interazioni tra organismi. L’ecologia può approcciarsi allo studio di organismi, ambienti, problematiche, applicazioni. Divisibile in ecologia di base (studia autotrofi ed eterotrofi e ambienti) ed ecologia applicata (studia gli effetti antropici basandosi sull’ecologia di base).

Approccio dell'ecologia

In generale l’ecologia ha un approccio descrittivo (tassonomico) che va a sfociare nel funzionale (scambi energetici)

1. Autoecologia: studia gli organismi (specie/popolazioni) e le interazioni tra di loro e con la componente abiotica.
2. Sinecologia: studia come le popolazioni (costituite da più individui) variano nel tempo.

L’ecologia analizza i rapporti tra prede e predatori dentro ad una catena alimentare. Analizza anche gli scambi energetici tra le varie componenti degli ecosistemi.

Gerarchia ecologica

È l’organizzazione ordinata entro una serie di comparti (sistemi) che esprimono il grado di complessità. Può essere in ordine dal più piccolo al più grande o viceversa. Componente biotica + componente abiotica = biosistema (geni, cellule, organi, organismi, popolazioni, comunità) con flusso tra materia ed energia con la componente abiotica mi producono (sistema di geni, sistema di cellule, ecosistema = compartimento). Si tratta di un’unità astratta biotico + abiotico composta dalle relazioni (organismi viventi) (componenti fisico-chimiche) la componente biotica e quella abiotica con continui flussi energetici con la materia e di sostanze, è un sistema dinamico ed aperto sistema di organi, sistema di organismi, sistema di popolazioni, sistema di comunità.

Esempio di ecosistema

Lo stagno è un tipico esempio di ecosistema, suddivisibile in zone:

• Zona litorale
• Zona delle acque aperte
• Zona delle acque profonde
• Zona dei fondali

Ciascuna zona è abitata da una determinata componente biotica (autotrofa + eterotrofa) in base alle caratteristiche (fisico/chimiche) della componente abiotica della zona in questione. Ma tutte fanno parte dell’ecosistema stagno. Ad esempio nelle zone litorali troveremo una fauna/flora diversa da quella presente nei fondali con prevalenza di batteri e microrganismi.

Nota bene: un sistema è costituito da componenti indipendenti che però interagendo tra loro formano un tutt'uno. Si parla di un:

• Produttore primario: solitamente un autotrofo (pianta o fitoplancton) che nutre un
• Consumatore primario (zooplancton) che nutre un
• Consumatore secondario (pesce) che produce escrementi utili ad altri consumatori (batteri decompositori) che nutre a sua volta un
• Consumatore terziario (testuggine lacustre)

Teoria dei sistemi

Sistema aperto: è il caso di un sistema in cui avvengono scambi di energia e materia con l’esterno (sistema biologico).

Sistema chiuso: è un sistema in cui avvengono scambi di energia ma non di materia (il pianeta Terra).

Sistema cibernetico: regola e mantiene la propria omeostasi mediante una rete informatica e reazioni di feed-back.

Sistema isolato: tipico dei cicli termodinamici; non avvengono né scambi energetici né di materia.

All’interno dei sistemi avvengono delle modifiche dovute alle interazioni (scambi di energia) tra i vari elementi che compongono il sistema e che provocano una loro modifica. Le interazioni sono quindi comunicazioni alle quali gli elementi reagiscono modificando le loro azioni.

Il sistema cibernetico analizza tutte le interazioni a livello globale che avvengono dentro ad un sistema = rete di interazioni/informazioni ai fini dell’equilibrio. Il sistema biologico è un sistema aperto: una pianta riceve energia solare che converte in energia chimica per produrre biomassa fruibile agli eterotrofi.

Le interazioni nei sistemi

• Feedback positivo: se A varia in un senso; B varia nello stesso senso.
• Feedback negativo: il variare di A fa aumentare B; ma questo porta ad una diminuzione di A.

I sistemi ambientali sono complessi: essi si autoregolano e sono dotati di retroazione. Ecosfera, bioma, paesaggio, ecosistema, comunità, popolazione, individuo, apparato, organo, tessuto, cellula. C’è da fare quindi una differenziazione tra omeoresi e omeostasi.

Omeoresi e omeostasi

• Omeoresi: regolazione che riguarda lo spettro ecologico fino alla popolazione ed ha quindi dei meccanismi molto più lenti e ad ampio spettro ed è sprovvisto di regolazione di retrocontrollo: il sistema oscilla senza tornare allo stato stazionario in risposta a turbamenti.
• Omeostasi: regolazione che riguarda lo spettro biologico con meccanismi di controllo genetico, ormonale, neurale di tipo retroattivo (a feedback +/-) essi mantengono uno stato stazionario.

Teoria gerarchica e teoria di appartenenza

1. La teoria di appartenenza riguarda i sistemi ambientali in cui tutte le componenti interagiscono tra loro orizzontalmente/trasversalmente. Ogni livello esercita una funzione regolatrice sugli altri livelli: interazione e maggiore comunicazione.
2. La teoria gerarchica riguarda invece la società umana, in cui l’organizzazione è prettamente gerarchica; meno interconnessa: il livello superiore ha effetto solo sul livello subito inferiore e così via = modello a matriosca gerarchico.

Il bosco o l’ecosistema lago sono sistemi ambientali che si rifanno al modello di appartenenza in cui tutte le componenti (biotiche ed abiotiche) si influenzano vicendevolmente non secondo uno schema gerarchico tipico della società umana. Per creare un bosco a livello di reale sistema ambientale non è sufficiente piantare alberi: bisogna aspettare che le diverse componenti (sottosistemi) del sistema bosco, che è un ecosistema a tutti gli effetti, interagiscano tra loro e con i diversi elementi: acqua, aria, terra ecc. Il sistema bosco è infatti più complesso delle sue diverse parti (sottosistemi) che lo compongono.

Proprietà emergenti dei livelli

Le proprietà emergenti non sono simple media o sommatoria, come nel modello gerarchico, delle proprietà dei sottosistemi che compongono il livello. Un tipico esempio di proprietà emergente è l’acqua (H₂O = livello) in cui il composto che si viene a creare dall’unione dei suoi sottoinsiemi (due molecole di idrogeno e una di ossigeno) possiede proprietà irriducibili ed emergenti rispetto ai suoi sottoinsiemi che non possono essere date dalla semplice sommatoria delle parti: nuova configurazione molecolare liquida rispetto ai sottoinsiemi che sono allo stato gassoso = proprietà emergente/irriducibile.

Un altro esempio di proprietà emergente è dato dalla spugna di mare (un porifero): essa è composta da cellule che insieme formano una colonia = un aggregato perfettamente funzionante. Se queste vengono separate, disgregando la spugna, tornano ad essere singole cellule. Rimettendole in un recipiente con H₂O e attendendo, esse torneranno a formare l’aggregato spugnoso che ha proprietà emergenti uniche che non sono semplicemente riducibili alla sommatoria dei suoi sottoinsiemi (cellule).

La barriera corallina

Un altro esempio di proprietà emergente è dato dalla capacità di riciclo dei nutrienti tipica dei coralli nelle barriere coralline (in cui degli organismi detti polipi convivono riuscendo a ricavare nutrienti in zone acquose in cui essi scarseggiano formando delle colonie, celenterati + alghe). Il ricavo di nutrienti della colonia è la proprietà emergente.

NB: Coralli = Antozoi sono una classe di animali del phylum degli Cnidaria. Consistono di piccoli polipi radunati tipicamente in colonie di molti individui simili. Il gruppo include gli organismi comunemente noti come coralli, costruttori delle barriere coralline tropicali, che, producendo carbonato di calcio sotto forma di calcite, formano il tipico scheletro calcareo. E sono messi a dura prova dal surriscaldamento globale che ne provoca la morte e lo sbiancamento. Altra proprietà emergente della barriera corallina è che offre riparo e cibo a moltissimi organismi marini: quali pesci, molluschi, alghe ecc.

La proprietà emergente ha quindi un valore aggiunto in termini funzionali rispetto alla somma delle singole parti che lo compongono.

Variabilità statistica della proprietà emergente

In un sistema unitario come la foresta la variabilità di una proprietà emergente (fotosintesi) è inferiore alla somma delle variabilità dei suoi sottoinsiemi es. (singoli alberi che fanno la fotosintesi). Questo perché se uno dei sottoinsiemi rallenta la fotosintesi, magari ce n’è un altro che la velocizza compensando la velocità di fotosintesi dell’intera foresta = il livello foresta è meno variabile.

Lo stato stabile pulsante

Riguarda i livelli gerarchici più elevati che risultano essere più stabili e con interazioni più lente perché composti da più sottolivelli. I livelli più bassi sono molto meno stabili: ne è un esempio la foresta con gli alberi.

• Foresta = ecosistema con stato stabile pulsante
• Alberi = sottolivelli molto meno stabili

Definizioni di sistema

Proprietà emergente è data dall’unione dei sottolivelli ma non dalla sommatoria delle loro proprietà. Si tratta di una proprietà unica/emergente: H₂+O (gassosa) = H₂O (liquida)

Variabilità statistica quella del livello superiore è inferiore della variabilità dei sottolivelli.

Proprietà collettive di Salt 1979 la natalità è data invece dalla sommatoria dei comportamenti dei compartimenti (n. nascite in unità di tempo) - sono prevedibili conoscendo le singole parti.

Funzioni trascendenti coevoluzione, evoluzione, energetica, selezione naturale.

Biosphere 2 (NASA 1991-1993)

La Terra è un sistema chiuso dotato di retrocontrollo in grado di autoregolarsi. Avvengono scambi energetici ma non di materia ed è irriproducibile: ne è un esempio l’esperimento Biosphere 2 (NASA 1991). In cui 8 uomini altamente qualificati e selezionati dalla NASA furono introdotti in 5 cupole che riproducevano l’ambiente terrestre nel deserto dell’Arizona con il totale riciclo in autonomia di acqua, aria, terra ecc = nessuno scambio di materia ma soltanto di energia. Savana, oceano con barriera corallina, deserto, foreste tropicali, 80% di sistemi naturali, 20% era adibito alla coltivazione con il tentativo di poter riprodurre la Terra artificialmente. L’esperimento fallì poiché fu necessario pompare ossigeno dall’esterno: vi fu infatti accumulo di CO₂ a causa della concentrazione batterica. Quindi fallì nel 1993 (durò due anni) con grandi critiche per i copiosi fondi investiti per il suo mantenimento.

• 8 biosferani selezionati per la loro capacità
• 4 milioni di dollari per gas e elettricità e 200 milioni per funzionamento totale

La teoria Gaia: 1979 James Lovelock

Secondo questa ipotesi gli organismi viventi (biota) che abitano la Terra rendono possibile la vita su di essa con i loro comportamenti sulla componente abiotica: proprietà fisico-chimiche come ad esempio la temperatura, la salinità dei mari ecc. Si genera così una situazione di omeostasi sulla Terra grazie ai meccanismi di retro-controllo tra componente biotica ed abiotica. Ne è un chiaro esempio la fotosintesi, che consente la produzione di ossigeno e biomassa edibile per gli eterotrofi: inizialmente infatti la Terra non era abitabile. Perché l’atmosfera non consentiva la vita agli organismi più complessi che la popolano attualmente.

Compaiono i primi autotrofi in grado di attuare la fotosintesi: si passa da una percentuale di CO₂ dal 98% all’attuale 0.03%. O₂ da 0 a 16%. Formazione di calcare. Comparsa di una fascia verde sulla Terra. Si sviluppano così dei veri e propri organi di Gaia e cioè ecosistemi dotati di proprio metabolismo e omeostasi ed autoregolazione: dati dalla contemporanea interazione/sviluppo tra componenti biotiche ed abiotiche che si autoregolano tra loro.

Critica a ipotesi Gaia

Da parte di Doolittle secondo cui la teoria Gaia dovrebbe allora spiegare la vita anche sugli altri pianeti. Lovelock propone allora il modello di Dasylandia. Margherite nere = assorbono la luce solare. Margherite bianche = riflettono la luce. Dasylandia = piante simil Terra che è abitata da sole due specie (margherite bianche e nere).