Appunti lezioni Ecologia

L’ecologia

L’ecologia è lo studio scientifico delle interazioni che determinano la distribuzione e l’abbondanza degli organismi.

L’acqua

Calore specifico

L’acqua ha un calore specifico molto elevato, cioè la quantità di energia assorbita da 1 grammo di sostanza durante un aumento di 1 °C. Diventa un fattore ecologico molto importante nel momento in cui ci sono grosse quantità di acqua, perché si tratta di grosse quantità di calore trattenute o assorbite. Molto importante è anche la capacità termica, cioè calore specifico x massa.

L’acqua è trasparente ed incolore, alcune volte può essere colorata ad esempio a causa di alghe o organismi presenti in elevata densità quantità, possiede inoltre una elevata densità la quale aiuta il galleggiamento degli esseri che vivono al suo interno. La densità è funzione della temperatura: diminuisce la temperatura aumenta la densità, una volta che però arriva a 4 °C la densità torna a diminuire; ciò permette la vita al di sotto degli strati di ghiaccio, nonché della salinità: l’acqua salata ha una densità maggiore di una dolce.

L’acqua è caratterizzata anche da una elevata viscosità, cioè quella proprietà che ostacola il movimento all’interno dell’acqua. Importante è anche la bassa conducibilità termica, infatti l’acqua è un cattivo conduttore.

Abbiamo un’ulteriore proprietà: tensione superficiale, che si verifica solo sulla superficie dell’acqua e dipende dalle forze di coesione tra le molecole.

Andiamo a vedere una stratificazione che si forma nei bacini di acque sufficientemente profonde abbastanza tranquille: abbiamo uno strato superficiale di acque abbastanza calde, sono in superficie perché l’acqua è meno densa di quella fredda quindi ci galleggia sopra, che non cedono calore agli strati sottostanti perché l’acqua è un cattivo conduttore.

Nb: la radiazione solare che colpisce l’acqua ha una componente di luce, e poi delle radiazioni che non vediamo che sono gli infrarossi e gli ultravioletti. La luce che penetra nell’acqua viene assorbita in quantità e in qualità: le radiazioni vengono assorbite in modo selettivo, ad esempio vengono assorbite prima quelle rosse che sono proprio quelle che scaldano ed ecco perché l’acqua si scalda solo in superficie.

Lo strato superficiale inoltre è quello più attivo dal punto di vista biologico.

L’acqua è un buon solvente di sali minerali, importanti per gli organismi che possiedono gusci o scheletro.

pH

Introduciamo ora il pH, è abiotico ma se ci sono organismi è biotico, è una proprietà intrinseca dell’acqua che dipende dalla concentrazione di idrogenioni. Un’acqua di uno stagno ha dentro degli organismi che respirano consumando ossigeno e buttando fuori CO2; la CO2 in acqua reagisce formando un acido debole: l’acido carbonico il quale avrà un effetto sul pH facendolo spostare su valori più bassi. Quindi quando in acqua ci sono tanti organismi che respirano il pH scende.

Gli organismi che vivono all’interno dello stagno sono soggetti al ciclo luce - buio; quando c’è il buio tutto respirano consumando ossigeno e basta, quando arriva la luce gli organismi in grado di fare la fotosintesi la eseguono cioè consumano anidride carbonica per produrre ossigeno. Allora durante il giorno l’anidride carbonica diminuisce perché viene anche utilizzata per la fotosintesi, durante la notte aumenta perché si respira e basta non c’è luce per fare fotosintesi. Questo porta alla conseguenza che durante il giorno il pH si alza un po’ e durante la notte invece si abbassa, tutto questo negli ambienti dove ci sono tanti organismi che respirano e fanno la fotosintesi. L’ossigeno misurato dunque dipende dall’orario in cui facciamo la misurazione.

Gas sciolti

In acqua sono presenti anche dei gas sciolti: ad esempio ossigeno ed anidride carbonica si sciolgono in acqua; l’ossigeno che c’è nell’acqua viene dall’atmosfera, che è la riserva di ossigeno: circa 31%, per diffusione entra in acqua e si scioglie. La sua solubilità dipende dalla temperatura, un’acqua più fredda scioglie meglio.

Tra produttori e consumatori di ossigeno bisogna che vi sia equilibrio: se ho tanto ossigeno prodotto un po’ va in atmosfera, se c’è invece tanto ossigeno consumato allora un po’ entra dall’atmosfera; se si produce più ossigeno di quello che se ne va l’acqua diventa sovrasatura di ossigeno, se invece si consuma più ossigeno di quello che riesce a entrare per diffusione allora in acqua l’ossigeno scende al di sotto della saturazione: se scende poco ho meno problemi, più scende più ho problemi per gli organismi.

L’acqua 1.1

È il composto più abbondante nella materia vivente ed è il composto più abbondante sulla terra.

La maggior parte dell’acqua è salata, infatti il 97% dell’acqua si trova negli oceani, infatti solo una minima percentuale della quantità di acqua è disponibile sotto forma di acqua dolce per gli usi umani.

Possiamo distinguere diverse categorie di organismi in base al loro rapporto con l’acqua:

• Organismi idrofili: Vivono nell’acqua, idrofite per le piante.
• Organismi igrofili: Vivono solo in ambienti terrestri molto umidi, igrofite per le piante.
• Organismi mesofili: Hanno esigenze intermedie nei confronti dell’acqua e tollerano l’alternarsi di stagioni secche e umide, mesofite per le piante.
• Organismi xerofili: Adatti a climi nei quali il deficit di acqua è spesso molto accentuato sia nell’aria che nel suolo.

L’approvvigionamento idrico può avvenire in diversi modi:

1. Per ingestione diretta.
2. Assorbendola attraverso la pelle nuda a contatto con materiali umidi come suolo o piante.
3. Direttamente dal cibo.
4. Producendola per via chimica, attraverso l’ossidazione dei grassi nel corso del ciclo metabolico.

I fattori abiotici

Non c’entrano con gli organismi, possono essere temperatura, luce, ossigeno, nutrienti, acqua, pH, ...

I fattori abiotici interagiscono tra loro. Sono molto numerosi. È difficile parlare e generalizzare poiché i fattori abiotici interagiscono tra loro.

Fattori limitanti e valenza ecologica

Una distinzione che possiamo fare è quella tra fattori abiotici cioè fattori chimico-fisici non legati alla presenza di organismi, e fattori biotici ossia strettamente legati alla presenza di organismi.

Un fattore si dice limitante quando raggiunge il suo minimo o il massimo di tolleranza e l’organismo nei confronti di quel fattore va in difficoltà. Un fattore ecologico essenziale per la vita svolge un ruolo limitante quando è assente o è sotto un minimo limite critico oppure quando eccede il massimo livello tollerabile.

Vediamo ora un grafico relativo ad un qualsiasi fattore ecologico:

Sono state formulate due leggi:

1. La legge del minimo: Lo sviluppo di un organismo è condizionato dal meno abbondante dei fattori essenziali.
2. La legge della tolleranza: Un fattore può essere limitante anche quando è presente in eccesso.

La tolleranza dell’organismo nei confronti di un qualsiasi fattore ecologico non è costante durante il ciclo vitale ma varia al variare degli stadi del ciclo vitale.

Questo grafico ci fa vedere come i minimi di tolleranza siano in corrispondenza di stati embrionali e nel momento della riproduzione; il periodo di massima tolleranza è la fase adulta.

Possiamo dedurre alcuni corollari della legge della tolleranza:

• Gli organismi possono avere un intervallo di tolleranza ampio per alcuni fattori e limitati per altri.
• Se per una specie le condizioni non sono ottimali, per un fattore ecologico, i limiti di tolleranza possono ridursi anche per altri fattori ecologici.
• L’intervallo di tolleranza relativo ad un fattore può essere influenzato da altri fattori, ad esempio alcune piante hanno una minore richiesta di zinco quando crescono all’ombra.
• Gli organismi con ampi intervalli di tolleranza per tutti i fattori sono probabilmente quelli più ampiamente diffusi.

Valenza ecologica

Dal concetto di fattore limitante deriva quello di valenza ecologica.

Quando si parla di valenza ecologica parliamo di organismi che hanno una discreta capacità di tollerare la variazione di molti fattori ecologici. Sostanzialmente è la capacità di questi organismi di stare grossomodo dappertutto. Ad esempio una specie a rischio di estinzione non ha questa capacità.

Possiamo dunque operare una distinzione tra specie stenoecia: a bassa valenza ecologica, capace cioè di tollerare ristretti intervalli di oscillazione, e specie euriecia: ad alta valenza ecologica, capace di tollerare ampi intervalli di oscillazione di diversi fattori ecologici.

Il concetto generico di euricia e stenoicia può essere declinato ad ogni singolo fattore ecologico, per cui i prefissi steno ed euri si associano allo specifico fattore ecologico: stenotermi, euritermi.

Addirittura l’uso di questi prefissi si può associare anche alla capacità espansiva nella biosfera: cioè differenzia organismi che stanno un po’ dappertutto, euritopa, da organismi che invece hanno bisogno di particolari condizioni, stenotopa.

Razza ecologica

Parliamo ora del concetto di razza ecologica: la valenza ecologica di una specie non è attribuibile all’intero complesso dei singoli individui che appartengono a quella specie, ma è un mosaico di valenze ecologiche.

La temperatura

È un fattore ecologico di primaria importanza legato strettamente alla vita, possiamo dunque dire che è il primo fattore ecologico fondamentale.

“La temperatura di un corpo è il suo stato termico considerato in rapporto alla sua capacità di trasmettere calore ad altri corpi”. La temperatura è molto importante poiché è correlata con tutti gli altri fattori e poiché l’organismo vivente è una macchina termica. La vita si sviluppa in intervalli di temperatura molto ristretti cioè da -200 a +100.

Tuttavia una temperatura ad esempio di 50 °C è considerata limite superiore per la vita attiva della maggior parte degli animali e dei vegetali, questo limite è dovuto al fatto che oltre i 50 °C le proteine iniziano a denaturarsi cioè a smontarsi; il limite inferiore non scende molto al di sotto degli 0 °C per gli amanti organismi vegetali e per gli animali pecilotermi, questo perché 0 °C rappresenta la temperatura di passaggio di stato da acqua a ghiaccio.

Il limite si abbassa addirittura anche allo zero assoluto, si tratta comunque di forme di vita sporadiche.

A proposito di temperatura distinguiamo le specie euriterme: hanno un ampio intervallo di tolleranza nei confronti della temperatura; e le specie stenoterme: organismi che hanno un intervallo di tolleranza ristretto.

Si distinguono anche gli organismi microtermi, cioè quelli per cui l’intervallo di tolleranza si colloca verso basse temperature, e gli organismi megatermi che contrariamente necessitano di temperature costantemente elevate.

Sostanzialmente però il fattore termico limitante è l’ampiezza cioè lo scarto: un particolare organismo sopporta meglio una media di 15 °C risultante da 10 °C e 20 °C piuttosto che una risultante da +35 °C e -5 °C.

Le variazioni termiche comportano delle variazioni negli organismi:

1. Variazioni delle funzioni metaboliche.
2. Variazioni delle funzioni di sviluppo.
3. Variazioni delle funzioni di riproduzione - tipo di riproduzione - cicli sessuali.
4. Variazione delle reazioni comportamentali.

Ogni specie comunque si caratterizza per dei limiti inferiori e superiori di temperatura compatibili con la vita:

• Temperatura ottimale: Temperatura alla quale lo sviluppo e le reazioni metaboliche si svolgono nel migliore dei modi.
• Temperatura letale: Temperatura limite che coincide con la morte dell’organismo.
• Temperatura di inattivazione: Precede la temperatura letale e ne costituisce una premessa necessaria e sufficiente.

Importante è la definizione di 0 ecologico: la più bassa temperatura esterna alla quale l’organismo può ancora svolgere le sue funzioni vitali.

Andiamo a presentare due grandi ripartizioni nelle quali si suddividono gli organismi viventi:

1. Omeotermia: La temperatura corporea viene mantenuta elevata e pressoché costante anche quando varia quella dell’ambiente esterno, gli omeotermi inoltre sono detti endotermi poiché producono il calore dall’interno.
2. Pecilotermia: La temperatura corporea segue quella esterna, dunque il calore necessario per il metabolismo viene preso dal calore esterno.

Lo svantaggio dell’omeotermia risiede nel fatto che per mantenere una temperatura interna costante c’è un grosso dispendio di energia nonché l’ingestione di una grossa quantità di cibo. Il vantaggio invece riguarda la possibilità di una attività costantemente elevata sia a basse che alte temperature.

In termini vantaggi è sicuramente una strategia molto economica perché non richiede una produzione interna di calore per far fronte al deficit termico con l’esterno; tuttavia in termini di svantaggio siamo per forza legati alla temperatura esterna che regola la velocità dei processi biologici, oltretutto a basse temperature l’organismo non è più in grado di essere attivo quindi non c’è più scambio di calore.

Il termine eterotermia, spesso usato come sinonimo di pecilotermia, si riferisce in realtà a quegli animali, pipistrelli, api, colibrì, che regolano la temperatura corporea adottando in alcuni casi l’ectotermia in altri l’endotermia.

Chiaramente se le condizioni termiche sono sfavorevoli, gli organismi reagiscono di conseguenza:

• Migrazioni: Spostamenti orientati da una regione ad un’altra con andata e ritorno. Chiaramente può essere attuata solo da organismi mobili e non può essere sfruttata dalle piante. Sono per lo più attuate da animali impossibilitati a limitare il proprio periodo di vita attiva ad una stagione calda troppo breve e devono necessariamente migrare all’arrivo dell’inverno.
• Ibernazione: È la sottrazione agli estremi inferiori di temperatura, non riguarda solo i pecilotermi ma anche gli omeotermi. Nell’ibernazione la frequenza cardiaca diminuisce, il metabolismo rallenta; gli organismi cercano dei rifugi nei quali ritirarsi che forniscano da protezione contro i nemici e ospitino un microclima adatto.
• Estivazione: È una reazione simile all’ibernazione che si manifesta in animali che vivono in regioni in cui l’estate è particolarmente calda e secca; è preceduta dalle stesse reazioni che accompagnano l’ibernazione.
• Diapausa: È una fase di vita rallentata a carattere obbligatorio caratteristica degli invertebrati e determinata dall’insorgere di condizioni ecologiche sfavorevoli, è appunto una reazione obbligata, al contrario della quiescenza, parte del ciclo vitale di alcuni organismi. È preceduta da una complessa preparazione fisiologica e può verificarsi allo stadio di uovo, di larva o di adulto. La diapausa permette la sopravvivenza durante il periodo meno favorevole ed inoltre sincronizza il ritorno alla vita con il ritorno delle condizioni termiche e nutrizionali ottimali, fornisce la sopravvivenza della specie.
• Quiescenza: È uno stato di riposo transitorio, caratteristico degli invertebrati, imposto dalle condizioni esterne e immediatamente reversibile al ritorno di condizioni ambientali favorevoli, ad esempio il bombo può essere attivo durante i giorni più caldi in inverno.

La temperatura nell’aria

Analizziamo il comportamento della temperatura in questo caso nell’aria. La temperatura dell’aria nell’atmosfera è molto variabile a seconda dello strato dove andiamo ad osservare; ciò che è nel nostro interesse è lo strato più basso, notiamo subito che l’altitudine è un fattore determinante nell’andamento della temperatura.

Il primo fattore che influenza la temperatura sulla terra è la latitudine che consente di dividere la superficie terrestre in grandi fasce climatiche.

La temperatura dell’aria diminuisce in funzione dell’altitudine, secondo un gradiente che va da 0,4 a 0,7 °C per ogni 100 metri di altezza. Oltre l’altitudine ci sono altri fattori che influenzano la temperatura dell’aria, ad esempio i rilievi, la pendenza, l’esposizione della stazione. La temperatura dell’aria è uno di quegli elementi che determinano il clima.

L’inversione termica è uno di quei fenomeni per cui l’aria è più fredda negli strati bassi a contatto con il suolo mentre è meno fredda negli strati superiori. Questo perché in estate l’aria calda a contatto con il suolo si riscalda e risale creando una circolazione d’aria calda e fredda. D’inverno l’aria fredda non riesce a risalire in quota ed in assenza di vento, se l’ambiente è umido forma nebbie e smog.

Spieghiamo adesso la formazione delle brezze di mare: dopo le prime ore di irraggiamento abbiamo un riscaldamento più rapido della zona costiera rispetto alla fascia del mare quindi l’aria calda che si forma a contatto con la superficie terrestre tende a salire verso l’alto e a richiamare aria meno calda dal mare formando uno spostamento di aria dal mare verso la terra ferma.

Al contrario le brezze di terra: dopo un’intera giornata di irraggiamento solare, quando diminuisce la sua intensità, la terraferma si raffredda più rapidamente del mare e arriviamo ad una condizione.