Appunti Ecologia

Ecologia

Ci sono state varie definizioni di ecologia nel corso degli anni, la più recente è stata data da Begon nel 1980 e recita: "L'ecologia è lo studio scientifico della distribuzione ed abbondanza degli organismi e delle interazioni che determinano la distribuzione e l'abbondanza (Begon, 1980)".

Il cambiamento ambientale è determinato da molteplici forze. Esistono certamente processi naturali, ma l’ambiente è profondamente modellato anche da processi culturali, economici e politico-sociali. Questi fattori non agiscono in modo isolato: ciascuno influenza gli altri, rendendo fondamentale la conoscenza delle connessioni tra i diversi sistemi.

Ad esempio, guardando la civiltà dell'isola di Pasqua. Circa nel 400 d.C., i Polinesiani raggiunsero e colonizzarono l'isola, portando con sé una specie di ratto come alimento durante la navigazione, il quale colonizzò anch'esso l'isola. La civiltà dell’Isola di Pasqua durò circa 1000 anni, organizzata in agricoltori, scalpellini e pescatori.

I Polinesiani, arrivando sull’isola, trovarono una palma simile alla Jubaea chilensis, fondamentale per costruire canoe e pescare grandi pesci o raggiungere isole lontane fino a 400 km per cacciare uccelli. Tuttavia, la deforestazione causata dall’uomo e dai ratti, che mangiavano le noci di palma, portò alla scomparsa delle foreste, erosione del suolo, mancanza di imbarcazioni, declino dell’agricoltura e incapacità di procurarsi cibo, portando carestie, guerre, cannibalismo e il declino della civiltà.

Nel bacino del Mediterraneo, abitato dall’uomo da almeno 500.000 anni, per la maggior parte del tempo le popolazioni erano basse, nomadi e cacciatrici, con un impatto limitato sull’ambiente. Durante il Neolitico, 11.000 anni fa, il clima divenne più arido e si passò all’agricoltura, con taglio delle foreste, aumento rapido della popolazione, introduzione dell’allevamento, capre, e conseguente erosione del suolo per sopraffazione della capacità di rigenerazione delle foreste.

La specializzazione delle colture, frumento, olivo, vite, lo sviluppo della navigazione e l’estrazione mineraria richiesero ancora più legna, portando alla scomparsa delle foreste anche d’alta quota, della fauna selvatica e alla formazione di paludi costiere e diffusione della malaria. L’erosione, già presente naturalmente, fu accelerata dall’uomo, che instaurò cicli di feedback positivo, in cui un evento crea condizioni per il ricorrere di quell'evento, determinando così cambiamenti accelerati.

La domesticazione di piante e animali rappresenta una vera e propria invenzione umana, avvenuta in diversi centri del mondo tra 10.000 e 4.000 anni fa. Colture come riso, grano, mais, patata e quinoa furono addomesticate indipendentemente in varie regioni. Il passaggio da società di cacciatori-raccoglitori a società agricole e allevatrici è un fenomeno relativamente recente nella storia dell’umanità, ma comportò inizialmente un peggioramento delle condizioni di vita.

L’agricoltura richiedeva più lavoro, portava a una dieta meno ricca di proteine e vitamine, a una diminuzione dell’altezza media e favoriva la diffusione di nuove malattie, come carie, vaiolo e influenza. Inoltre, il duro lavoro causava deformazioni fisiche e aumentavano i conflitti sia all’interno dei gruppi sia tra gruppi diversi per il possesso delle terre.

L’agricoltura modificò profondamente anche il modo di pensare dell’uomo. La natura iniziò a essere percepita come qualcosa da trasformare e dominare, piuttosto che come una fonte da cui ricavare risorse per la sopravvivenza. Questo cambiamento è evidente, ad esempio, nelle cerimonie agricole degli Inca, in cui la terra veniva simbolicamente “sconfitta” come in una battaglia.

Le società di cacciatori-raccoglitori erano generalmente basate sull’uguaglianza e sulla condivisione, poiché la vita nomade non consentiva l’accumulo di beni. Al contrario, l’agricoltura e la sedentarietà permisero l’accumulo di cibo e la nascita di élite sociali, come sacerdoti, artigiani, scribi e governanti, portando allo sviluppo di società gerarchiche e alla formazione degli Stati. Il possesso delle terre e delle risorse favorì disuguaglianze e conflitti, contribuendo alla nascita di imperi che si conquistarono reciprocamente nel corso dei millenni.

L’ecologia è quindi una scienza interdisciplinare, che studia come processi naturali, culturali, religiosi, politici ed economici interagiscano nel determinare il cambiamento ambientale. L’indagine scientifica in ecologia si basa sull’osservazione della natura, sulla formulazione di ipotesi e sulla raccolta di dati attraverso esperimenti, ad esempio per studiare il ruolo dei nutrienti come l’azoto nella crescita delle piante.

Ecologia ecosistemica

L’ecologo interpreta la natura come una serie di livelli gerarchici, ognuno con proprietà emergenti, cioè che non possono essere dedotte dalla più completa conoscenza delle componenti, prese separatamente o in altre combinazioni parziali. Questi livelli sono:

• Ecosfera: l’insieme di tutti gli ecosistemi della Terra.
• Bioma: grandi regioni caratterizzate da clima, flora e fauna simili.
• Paesaggio: mosaico di ecosistemi interagenti.
• Ecosistema: comunità di organismi che interagiscono tra loro e con l’ambiente fisico, con flusso di energia e cicli della materia.
• Comunità: insieme di popolazioni di specie diverse che convivono nello stesso luogo e tempo.
• Popolazione: gruppo di individui della stessa specie che vivono in una determinata area e interagiscono.
• Organismo: singolo individuo vivente.
• Apparato, organo, tessuto, cellula: livelli di organizzazione interna dell’organismo.

Proprietà emergenti

Le proprietà emergenti sono caratteristiche che si manifestano solo a un certo livello di organizzazione e non sono prevedibili conoscendo solo le parti. Ad esempio, la coscienza umana o la produttività di una comunità.

Popolazione

Definizione: gruppo di individui della stessa specie in una specifica area geografica che interagiscono l'uno con l'altro.

Caratteristiche:

• Distribuzione: come gli individui sono distribuiti nello spazio.
• Dimensione: numero totale di individui.
• Struttura per età: numeri o percentuali di individui per ogni classe di età.
• Variabilità genetica: diversità genetica interna. Descrivibile in termini di frequenze alleliche, polimorfismo o eterozigosi.

Comunità

Definizione: insieme di popolazioni di specie diverse che coesistono nello stesso spazio e tempo.

Proprietà emergenti:

• Diversità di specie.
• Limiti alla similarità delle specie in competizione.
• Successioni ecologiche.
• Struttura della rete alimentare.
• Biomassa e produttività della comunità.

Ecosistema

Definizione (Odum): unità che comprende tutti gli organismi di una data area e l’ambiente fisico col quale interagiscono, con flusso di energia che porta a una ben definita struttura biotica e riciclo della materia tra viventi e non viventi nel sistema.

Proprietà emergenti:

• Presenza della comunità.
• Flusso di energia.
• Cicli dei materiali.

Rete trofica e livelli trofici

Gli organismi sono collegati in reti trofiche, dove l’energia e la materia fluiscono dai produttori, piante, ai vari livelli di consumatori, erbivori, carnivori, decompositori.

Domande chiave dell’ecologia

• Ecosistemi: Qual è la produttività? Quali fattori la influenzano? Come sono collegati produttori e consumatori? Come vengono riciclati i nutrienti?
• Popolazioni: Cosa limita la crescita? Perché i predatori non eliminano tutte le prede?
• Comunità: Cosa determina la diversità e la stabilità? Che ruolo ha la competizione?
• Paesaggio: Come la disposizione degli habitat influenza la distribuzione delle specie?

Concetto di ecosistema

Gli organismi viventi e l’ambiente abiotico sono inseparabili e interagiscono costantemente. Un ecosistema è definito da:

1. Comunità biotica.
2. Flusso di energia.
3. Ciclo della materia.

Energia e materia negli ecosistemi

• Materia: tutto ciò che ha massa e occupa spazio.
• Energia: capacità di un corpo o sistema di compiere lavoro, visibile solo attraverso i suoi effetti sulla materia.
• Forme di energia: cinetica, movimento, produce lavoro a partire dall'energia potenziale, e potenziale, accumulata in una massa a riposo.
• Termodinamica → Scienza che determina i principi fondamentali per lo studio delle trasformazioni di energia nei sistemi.
• Sistema: insieme di corpi distinto dall'ambiente, isolato, chiuso, aperto.
• Ambiente: tutto ciò che si trova al di fuori del sistema.

Leggi della termodinamica:

1. L’energia non si crea né si distrugge, si trasforma, conservazione. Diversa in qualità non quantità.
2. Ogni trasformazione comporta una perdita di energia utile, aumento dell’entropia.

Gli ecosistemi sono sistemi aperti, lontani dall’equilibrio, mantenuti dal flusso continuo di energia e materia in entrata e in uscita.

Metabolismo cellulare

L’insieme di tutte le reazioni chimiche che avvengono all’interno delle cellule e consente agli organismi viventi di mantenersi lontani dalle condizioni di equilibrio.

• Catabolismo: degradazione di molecole organiche e produzione di ATP.
• Anabolismo: costruzione di strutture cellulari usando energia, ATP.
• ATP: molecola che trasporta energia nelle cellule, rigenerata tramite respirazione cellulare e fotosintesi.

Ingresso dell’energia negli ecosistemi (cap. 5)

• Autotrofia: produzione di materia organica da sostanze inorganiche.
• Chemiosintesi: tipica di alcuni batteri che ossidano composti inorganici, fondamentale in ambienti estremi, es. camini idrotermali.
• Fotosintesi: trasformazione dell’energia solare in energia chimica da parte dei fotoautotrofi, piante, alghe.

Il ciclo dell’ATP

L’ATP alimenta le reazioni endoergoniche cellulari attraverso il trasferimento enzimatico di un gruppo fosfato a molecole accettrici. Il ciclo dell’ATP è quindi un processo continuo, in cui l’energia liberata dalle reazioni esoergoniche viene utilizzata per rigenerare ATP, mantenendo attivo il metabolismo cellulare.

Autotrofia

Chemiosintesi

La chemiosintesi è un processo autotrofo alternativo alla fotosintesi, utilizzato da alcuni batteri, batteri chemiosintetici. Invece di sfruttare la luce solare, questi organismi ricavano energia dall’ossidazione di composti inorganici, come ammoniaca, nitriti, zolfo o ferro. L’energia chimica prodotta viene usata per fissare la CO₂ e sintetizzare composti organici. La chemiosintesi è fondamentale negli ecosistemi privi di luce, come le profondità oceaniche vicino alle sorgenti idrotermali, dove sostiene intere catene alimentari.

Batteri chemiosintetici & Biotecnologie. Thermus aquaticus è un batterio termofilo che vive nelle sorgenti di acqua calda. Il suo enzima DNA polimerasi, molto resistente alle alte temperature, è stato fondamentale per l’invenzione della PCR, Reazione a Catena della Polimerasi, da parte di Kary Mullis. Questo enzima, chiamato Taq polimerasi, ha rivoluzionato le biotecnologie.

Tipi di autotrofi

• Fotoautotrofi usano energia luminosa, fotosintesi.
• Chemoautotrofi usano energia chimica, chemiosintesi, es. batteri delle sorgenti idrotermali.

Efficienza energetica

Solo ~1% della radiazione solare che colpisce la Terra viene effettivamente utilizzata dagli autotrofi. Questo dipende da:

• Lunghezze d’onda utilizzabili, 400–700 nm.
• Riflessione.
• Dissipazione come calore.
• Limiti biochimici.

Fotosintesi: reazione globale

CO₂+H₂O+energia luminosa→(CH₂O)+O₂

CO₂+H₂O+energia luminosa→(CH₂O)+O₂

Oppure, forma completa: 6CO₂+12H₂O+energia→C₆H₁₂O₆+6O₂+6H₂O

6CO₂+12H₂O+energia→C₆H₁₂O₆+6O₂+6H₂O

CO₂ e H₂O non reagiscono direttamente: la fotosintesi avviene tramite sistemi complessi di proteine, pigmenti ed enzimi.

Fotosintesi = processo in due fasi

Reazioni alla luce

• Avvengono nei tilacoidi dei cloroplasti.
• La clorofilla:
  • Assorbe luce blu e rossa.
  • Riflette il verde.
• Le clorofille sono organizzate in antenne fotosintetiche.
• 50–300 molecole di clorofilla per antenna.
• L’energia viene trasferita al centro di reazione.
• Produzione di:
  • ATP.
  • NADPH.
• Tempo del trasferimento energetico: picosecondi, 10⁻¹² s.

Fase oscura (Ciclo di Calvin)

• Avviene nello stroma.
• Usa ATP e NADPH.
• Passaggi chiave:
  1. CO₂ + RuBP → 2 × 3-PGA.
  2. 3-PGA → G3P.
  3. Parte del G3P → glucosio.
  4. Parte rigenera RuBP.
• Tipica delle piante C3.

Fattori che influenzano la fotosintesi

• Luce.
• CO₂.
• Acqua.
• Temperatura.

Concetti chiave

• Punto di saturazione → oltre questo valore la luce non aumenta la fotosintesi.
• Punto di compensazione → CO₂ fissata = CO₂ respirata.
• Aumentando la CO₂ aumenta la saturazione luminosa.
• La morfologia delle piante è adattata a ottimizzare la fotosintesi.

Temperatura e adattamenti

• Licheni → fotosintesi anche vicino a 0°C.
• Piante desertiche → fino a 40–50°C.
• Ogni specie ha un optimum termico.

L’energia negli ecosistemi: ingresso, flusso e cicli (cap. 20)

L’energia entra negli ecosistemi principalmente attraverso gli organismi autotrofi, che sono in grado di convertire l’energia solare, o, in alcuni casi, chimica, in energia chimica tramite la fotosintesi o la chemiosintesi. Questo processo è alla base della produttività primaria, ovvero la quantità di anidride carbonica, CO₂, che viene trasformata in composti organici dagli autotrofi in un dato intervallo di tempo.

La produttività primaria si distingue in due categorie:

• Produttività primaria lorda (GPP): rappresenta il tasso totale di energia assimilata dagli autotrofi, cioè la velocità con cui l’energia luminosa viene convertita in energia chimica attraverso la fotosintesi.
• Produttività primaria netta (NPP): è la quantità di energia che rimane dopo che gli autotrofi hanno utilizzato parte della GPP per la respirazione cellulare. In pratica, la NPP rappresenta l’energia disponibile per la crescita e l'aumento di materia vegetale vivente, biomassa permanente, la riproduzione e per gli organismi eterotrofi, consumatori. NPP = GPP - Respirazione.

La respirazione cellulare è il processo mediante il quale il glucosio viene degradato per produrre energia, ATP, anidride carbonica e acqua. Questo processo si articola in quattro fasi: glicolisi, decarbossilazione del piruvato, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa. Il rendimento teorico è di circa 38 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio, anche se nella pratica si producono tra 30 e 32 molecole di ATP.

A livello ecosistemico, circa il 50% del carbonio fissato nella fotosintesi viene riutilizzato dai produttori primari per la respirazione cellulare: questo rappresenta il costo energetico di mantenimento della biomassa vegetale.

Da qui deriva il concetto fondamentale:

NPP = GPP – Respirazione

Stima della produttività primaria netta (NPP)

La NPP può essere stimata in diversi modi, a seconda dell’ecosistema:

Ecosistemi terrestri:

• Si può misurare il cambiamento di biomassa vegetale durante la stagione di crescita, calcolando la differenza tra la biomassa alla fine e all'inizio del periodo considerato.
• Si raccolgono e misurano la biomassa epigea, parte aerea, e ipogea, radici.
• Si utilizzano metodi di telerilevamento, che misurano la concentrazione di pigmenti fotosintetici tramite sensori satellitari, fornendo indici quantitativi della NPP.
• Un altro metodo è la covarianza turbolenta, che sfrutta il gradiente di concentrazione di CO₂ tra la chioma vegetale e l’atmosfera, per stimare il flusso di CO₂. Di giorno, la concentrazione di CO₂ è minore nella chioma; di notte, l'opposto.

Ecosistemi acquatici:

• Si utilizza il metodo della bottiglia chiara e scura, che misura la variazione di ossigeno per stimare la produzione primaria netta e lorda.
• Anche qui si possono usare tecniche di telerilevamento per misurare la concentrazione di clorofilla.

Fattori che limitano la NPP

Negli ecosistemi terrestri, i principali fattori limitanti sono:

• Fattori climatici: temperatura e precipitazioni influenzano positivamente la NPP, ma precipitazioni eccessive possono ridurla a causa della minore disponibilità di luce e della lisciviazione dei nutrienti dal suolo.
• Nutrienti: la disponibilità di azoto e fosforo è fondamentale. Esperimenti di fertilizzazione hanno dimostrato che l’aggiunta di questi nutrienti aumenta la NPP in ambienti sia secchi che umidi.
• Durata della stagione vegetativa: una stagione di crescita più lunga favorisce una maggiore produttività.
• Diversità vegetale: ecosistemi più diversificati tendono ad essere più produttivi. Gli ecosistemi tropicali hanno elevata produttività perché caldi e umidi.

Negli ecosistemi acquatici, la NPP è limitata principalmente da: Disponibilità di nutrienti: in particolare