Appunti di ecologia

Lezione 3 ottobre

Introduzione all'ecologia

Il termine ecologia significa "studio della casa". È una disciplina abbastanza recente. L'ecologia si occupa di studiare la relazione tra l'organismo e l'ambiente in cui esso vive. Successivamente, l'ecologia si interessa anche dell'interazione tra gli organismi. Quindi parte come scienza che studia l'interazione tra l'organismo e l'ambiente. I primi studiosi che si sono interessati alle interazioni organismo-ambiente possono dividersi in due gruppi: botanici e zoologi.

Storia e sviluppo dell'ecologia

Negli anni '60, gli studiosi hanno cominciato a capire perché le varie specie si distribuivano in un certo modo e l'abbondanza dei vari organismi sul globo. Intorno agli anni '70 cambia l'approccio: infatti, non si studia la distribuzione degli organismi in un sistema, ma come vari organismi interagiscono con organismi che si trovano nello stesso sistema. Con Odum, si ha un'impostazione di insieme, si parla di ecosistema.

Concetti chiave dell'ecologia

L'ecosistema è l'insieme della comunità (cioè componente vivente) e dell'ambiente non vivente. Si parla di approccio olistico, cioè di insieme. Deriva dallo studiare l'intero ecosistema. Quindi, nel corso del tempo, si è passato dalla autoecologia (scienza che studia l'interazione tra organismo e fattore non vivente) alla sinecologia (scienza che studia le interazioni tra gli organismi).

Con l'ecologia si parla di olismo transdisciplinare, infatti c'è bisogno di uno studio interdisciplinare (interazione tra diverse discipline coordinate da un settore disciplinare), cioè il tutto può essere capito se si hanno altre conoscenze. Una cosa importante è utilizzare la terminologia corretta.

Livelli di organizzazione gerarchica

I livelli di organizzazione gerarchica di cui si interessa l'ecologia sono (secondo la complessità crescente): organismi, popolazioni, comunità, ecosistemi, ecosfera. L'organismo è un qualsiasi essere vivente. La popolazione è un insieme di organismi della stessa specie che occupano una data area nello stesso periodo di tempo.

• Organismo - Un qualsiasi essere vivente.
• Popolazione - Insieme di organismi della stessa specie che occupano una data area nello stesso periodo di tempo.
• Comunità - Un insieme di popolazioni che vivono nello stesso spazio e nello stesso tempo (esempio: fageta, castagneto, prateria).
• Ecosistema - L'insieme della comunità e i fattori abiotici (luce, umidità, acqua).
• Ecosfera - Il livello più alto di organizzazione ecologica.

N.B. Popolazione e specie non sono la stessa cosa! (Noi in aula rappresentiamo una popolazione, la specie umana è distribuita su tutto il pianeta). Se noi parliamo di specie umana, possiamo parlare collettivamente della popolazione umana mondiale; allora, in questo caso, specie e popolazione mondiale possono essere usati come sinonimi.

Interazione tra organismi e ambiente

L'organismo modifica la componente abiotica di un determinato ecosistema, ma è anche vero che i fattori abiotici permettono la presenza degli organismi nell'ecosistema (esempio: noi nell'aula). I fattori abiotici consentono la distribuzione degli organismi nei vari sistemi, i quali a loro volta modificano i fattori abiotici. C'è un continuo scambio di informazioni tra la componente vivente e quella abiotica.

Tutti gli ecosistemi prevedono il passaggio di materia e di energia. L'insieme castagneto è regolato da una serie di processi, che non è data dalla somma dei singoli processi che si verificano in ogni sua singola componente, ma è un insieme, un'unica proprietà (esempio: molecola acqua). Questa proprietà è definita proprietà emergente, che è tipica di quel sistema e non può essere scomposta nelle singole parti.

Energia e materia negli ecosistemi

L'ambiente è la porzione di spazio che in qualche modo può accogliere la vita. Ritorniamo alla nostra energia e materia. L'energia fluisce, passa attraverso la componente vivente (dagli organismi produttori ai consumatori) con perdita di parte d'energia sotto forma di calore (quasi il 10%). La materia invece segue un ciclo. I sistemi possono essere: aperti, chiusi o isolati.

• I sistemi naturali o ecosistemi sono tutti sistemi aperti, che ricavano dall'esterno energia e materia.
• L'energia fondamentale affinché qualsiasi ecosistema possa esistere è l'energia solare. Questa viene convertita dai produttori (abete, faggio, pino) in energia chimica di legame. Prendono la CO2 dall'aria e la trasformano in glucosio. Inoltre, la pianta ha bisogno di acqua che prende dal suolo, dove sono disciolti i sali minerali.
• Le varie forme di azoto inorganico entrano nella pianta attraverso le radici e vengono convertiti in composti organici. Quindi alla pianta servono i composti inorganici, che grazie al processo fotosintetico vengono trasformati in composti organici.
• Questo è un processo cruciale, senza questo passaggio nessun eterotrofo potrebbe vivere. Gli autotrofi trasformano composti inorganici in organici. Gli eterotrofi sono organismi che utilizzano sostanza organica prodotta da altri.

L'energia (solare) entra dall'esterno, viene trasformata grazie ai produttori, che trasformano l'energia solare in energia chimica. Questa energia chimica viene convertita in altre forme attraverso tutti gli altri organismi, ogni trasformazione comporta perdita di energia sotto forma di calore. Quindi l'energia all'interno del sistema fluisce. Si parla di flusso di energia. C'è un andamento unidirezionale.

La materia fa un ciclo. La pianta trasforma i composti inorganici in composti organici e va a formare la biomassa. L'erbivoro utilizzerà i composti organici che ha prodotto la pianta e forma la biomassa. La biomassa dell'erbivoro verrà utilizzata dal carnivoro primario e formerà la biomassa del carnivoro primario e così via. Quando i vari organismi, sia animali che vegetali, muoiono, arrivano sul suolo. Quindi avremo la sostanza organica, che era nell'organismo vivo (BIOMASSA), che in questo caso chiamiamo NECROMASSA (la carcassa di un animale, è sempre sostanza organica, ma morta).

Ruolo dei decompositori e dei saprotrofi

La sostanza organica morta viene utilizzata da un altro gruppo di organismi, sempre eterotrofi, chiamati decompositori (batteri e funghi). Questi trasformano la sostanza organica in composti inorganici, che verranno di nuovo utilizzati dalle piante.

Processi di input e output nell'ecosistema

• Input > Output: la quantità di energia e materia che entra è maggiore di quella che esce e si accresce la comunità.
• Input < Output: la comunità non riesce a soddisfare le proprie esigenze, quindi è in declino.
• Input = Output: il sistema si trova in una situazione di stasi (stato stazionario).

Comunità e fattori abiotici

In una data comunità (es. fageta o castagneto), c'è una serie di popolazioni che occupano un determinato spazio e sono presenti una serie di fattori abiotici con certi valori. Se compare una perturbazione (una qualsiasi causa che determina una variazione abbastanza forte ed evidente dei fattori ecologici, come per esempio un aumento di temperatura, una diminuzione delle risorse, della quantità di acqua, un evento causato dall'uomo), i fattori abiotici subiscono dei cambiamenti e gli organismi che vivono all'interno di questo sistema reagiscono al cambiamento, modificando le loro reazioni, il loro metabolismo, ecc.

Risposte alle perturbazioni: feedback

• Feedback negativi: l'organismo, la popolazione innesca una serie di meccanismi che riporta il sistema alle condizioni iniziali, prima che ci fosse la perturbazione.
• Feedback positivi: innesca una serie di reazioni che allontanano ulteriormente la comunità dallo stato iniziale. Il feedback positivo è necessario per la crescita e la sopravvivenza degli organismi, ma per impedire la crescita eccessiva di una popolazione è necessario un feedback negativo che neutralizza l'input della deviazione. (esempio nascite e morti in base alle risorse).

È un continuo controllo. In seguito a perturbazione, si possono distinguere due tipi di comunità: a elevata resistenza o a elevata resilienza.

Resistenza e resilienza delle comunità

La resistenza è la capacità della comunità di far fronte alla perturbazione. Innesca una serie di feedback che permettono di opporsi alla perturbazione. La resilienza è la capacità della comunità di recuperare ciò che è stato perso in un tempo breve. La comunità subisce fortemente la perturbazione, si trasforma in qualsiasi altra forma, ma non appena la perturbazione termina e si ripristinano le condizioni ambientali standard, la comunità ritorna ad essere quello che era.

Esempi di resistenza e resilienza

Esempio: la fageta è una comunità ad elevata resistenza. La prateria e il bosco sono comunità ad elevata resilienza. Generalmente, la comunità ad alta resistenza ha bassa resilienza e viceversa.

Struttura trofica e componenti dell'ecosistema

La struttura trofica di un ecosistema è organizzato in due grosse componenti:

• Strato superiore o autotrofo o fascia verde: costituito da quegli organismi in grado di produrre sostanza organica.
• Strato inferiore o eterotrofo o fascia bruna: costituito da quegli organismi che utilizzano la sostanza organica prodotta dagli autotrofi.

Componenti dell'ecosistema

L'ecosistema è costituito da:

• Sostanze inorganiche
• Composti organici
• Aria, acqua, substrato, clima
• Produttori
• Eterotrofi che si dividono in:
  • Fagotrofi: utilizzano gli organismi vivi (sono erbivori, carnivori, onnivori).
  • Saprotrofi: utilizzano piante e animali morti (sono i batteri e funghi decompositori).
  • Detritivori: (esempio: lombrichi) sono organismi che aiutano i decompositori, ma non fanno nessun tipo di reazione chimica.

Produttori e consumatori

I componenti biotici degli ecosistemi sono: produttori e consumatori. I produttori si dividono in: fotoautotrofi e chemioautotrofi (entrambi trasformano sostanza inorganica in composti organici, la differenza è nell'utilizzo di energia differente: i fotoautotrofi utilizzano energia solare. I chemioautotrofi utilizzano l'energia che si libera da determinate reazioni chimiche esoergoniche. Quindi, prima di fissare la CO2 in C6H12O6, devono fare reazioni esoergoniche per produrre ATP che serve per fissare la CO2. Un esempio di reazione esoergonica è la trasformazione dell'ammonio (composto inorganico ridotto dell'azoto) in nitrito (composto inorganico).

Fattori ecologici

Ogni variabile fisica, chimica o biologica dell'ambiente in grado di influire sulla vita di un organismo, almeno in una fase del suo ciclo vitale, assume il ruolo di fattore ecologico. I fattori ecologici possono essere: abiotici e biotici.

• I fattori abiotici si dividono in 2 classi:
  • Risorsa (nutrienti): quel fattore abiotico che diminuisce dal sistema per entrare nell'organismo.
  • Condizione (pH, salinità, temperatura): parametro che influenza un organismo, ma non viene utilizzato.
• N.B. La risorsa e la condizione hanno la stessa importanza.
• Acqua e luce sono sia risorsa che condizione:
• La luce è utilizzata come risorsa dagli organismi fotoautotrofi per produrre energia chimica. Se invece di pensare alla luce come numero di fotoni che vengono assorbiti, la consideriamo come ore di luce in una giornata (fotoperiodo), in questo caso è una condizione (esempio: il fotoperiodo permette all'orso di capire quando andare in letargo).
• L'acqua in forma liquida è una risorsa per tutti, ma in forma gassosa rappresenta l'umidità e quindi rappresenta una condizione.

Legge del minimo e del massimo

Liebig ha fatto vivere delle piante su suoli a diverso contenuto di nutrienti. Questi si dividono in macronutrienti (azoto, magnesio, zolfo, fosforo, ferro) e micronutrienti (esempio: rame, zinco) a seconda della concentrazione di cui la pianta ha bisogno. Notò che piante in suoli che non avevano zinco, uno dei nutrienti necessari alla pianta, morivano, anche se c'erano tutti gli altri nutrienti. Quindi l'assenza (o la presenza in concentrazioni minori rispetto al fabbisogno della pianta) di un nutriente comporta la morte della pianta.

Quindi, secondo l'esempio, lo zinco rappresenta un fattore limitante l'accrescimento della pianta, nonostante tutti gli altri nutrienti siano presenti nelle concentrazioni necessarie. Quindi generalizzando Legge del minimo: nonostante tutti i fattori abiotici siano sufficienti al fabbisogno di un organismo, basta soltanto un fattore abiotico che non è nei valori richiesti dall'organismo e l'organismo muore. Questo fattore ecologico lo chiamo fattore limitante. Limitante ovviamente la crescita dell'organismo.

Al contrario: la crescita di una pianta dipende dalla risorsa presente in quantità minima (fattore limitante). È anche vero che se un fattore è presente in quantità eccessiva rispetto alle necessità dell'organismo, comunque ne inibisce la vita. Quindi anche un fattore presente più del necessario rappresenta un fattore limitante (Legge del massimo).

Ambito di tolleranza

Mettendo insieme la legge del minimo e del massimo si arriva a definire un ambito di tolleranza: ciascun organismo può vivere solo se un certo fattore ecologico rientra all'interno di certi valori, un minimo e un massimo. Questo è vero per gli n fattori ecologici. Noi ragioniamo uno per volta. Facendo un esempio, la specie X può vivere solo per valori di temperatura compresi tra 10°C e 30°C. Questi valori definiscono l'ambito di tolleranza di quella specie. Se io ho un sistema di 9°C o 31°C non troverò quella specie X.

Distribuzione delle specie e coesistenza

Noi vogliamo vedere come varia la densità della popolazione (numero degli individui) in funzione della temperatura. Al cambiare di x come varia y. Per valori più piccoli di e per valori più grandi di la densità della popolazione è zero. Quindi per valori di temperatura esterni all'ambito di tolleranza la densità di popolazione è zero. Per i valori di temperatura prossimi al minimo e al massimo di tolleranza la densità di popolazione è bassa. Questa zona si chiama zona di stress, cioè la popolazione esiste ma sono pochi gli organismi che possono tollerare valori così estremi. Quando invece ci troviamo per esempio tra 15°C e 18°C molti organismi riescono a occupare quel sistema, quindi la densità è alta. Quindi nell'ambito di tolleranza si definiscono vari intervalli. Nella zona in cui abbiamo la massima densità, quell'intervallo di valori di un certo fattore ecologico viene definito ambito ottimale. Questa zona consente la riproduzione.

Coesistenza di specie diverse

Come è possibile che specie diverse coesistano nello stesso ecosistema? Perché le varie specie si differiscono nell'ambito di tolleranza dei vari fattori ecologici. Nella nostra fageta ci sono diverse specie oltre al faggio. Pensiamo al sottobosco, le specie del sottobosco hanno bisogno di una quantità di luce inferiore a quella del faggio. Quindi il faggio utilizza la luce nella sua totalità, e le specie del sottobosco utilizzano la luce che il faggio non ha utilizzato.

Corollari alle leggi di Liebig e Shelford

I corollari alle leggi di Liebig e di Shelford permettono di spiegare le risposte degli organismi ai fattori limitanti:

• Popolazioni diverse, anche nello stesso ecosistema, possiedono intervalli di tolleranza diversi per ogni fattore limitante.
• Le popolazioni con valori di tolleranza più ampia sono maggiormente adattabili, pertanto tendono ad essere quelli più diffusi e maggiormente resistenti alle variazioni che possono intervenire nei fattori del loro ecosistema.
• I limiti di tolleranza di ciascun fattore possono essere influenzati dal valore assunto da altri fattori ecologici (es. molte specie di piante modificano la loro sensibilità alla radiazione solare a seconda dell'umidità dell'ecosistema in cui sono poste).
• Gli organismi, per periodi limitati ma anche per molti anni, riescono a sopravvivere in condizioni peggiori rispetto a quelle tollerate (alcune funzioni vengono ridotte o addirittura sospese, es. letargo). La riproduzione viene effettuata soltanto all'interno dei limiti ottimali.
• I limiti di tolleranza, anche nello stesso individuo, cambiano a seconda dello stato di salute dell'individuo. Spesso cambiano anche a seconda dell'età dell'individuo (esempio rana-girino: organismi adulti possono avere limiti più ampi rispetto agli stessi organismi più giovani per alcuni fattori o limiti più ristretti per altri fattori).

Valenza ecologica

Se una specie tollera ampi valori di un certo fattore ecologico si dice che è euri-. Se una specie tollera ristretti valori di un certo fattore ecologico si dice che è steno-.

• Stenotermo-euritermo: ristretta ed ampia tolleranza rispetto alla temperatura.
• Stenoidrico-euriigrico: ristretta ed ampia tolleranza rispetto all'acqua.
• Stenoalino-eurialino: ristretta ed ampia tolleranza rispetto alla salinità.
• Stenofago-eurifago: ristretta ed ampia tolleranza rispetto al cibo.
• Stenoecio-euriecio: ristretta ed ampia tolleranza rispetto alla selezione dell'habitat.

Se una specie tollera ampi valori di molti fattori ecologici si dice che è euriecia. Gli organismi eurieci vengono anche definiti organismi ad elevata valenza ecologica. Le specie ad alta valenza ecologica sono quelle specie che riescono a tollerare molti sistemi. Le specie stenoecie sono a bassa valenza ecologica e possono essere indicatori di una determinata situazione.

Considerazioni finali

La valenza ecologica tiene conto della possibilità di trovare una determinata specie in più ambienti diversi. Consideriamo un fattore ecologico: temperatura. Diciamo che la specie X ha un ambito di tolleranza per la temperatura compreso tra 10 e 20. Faccio la stessa cosa considerando un altro parametro (esempio umidità relativa UR). La mia specie può occupare tutto questo spazio (compreso tra 50 e 70). I fattori ecologici non agiscono singolarmente, ma contemporaneamente.