Ecologia

Ecologia – Prof. Pastorino

Storia, definizioni e metodologia della disciplina

Scienza molto recente, quello che è recente è l'interesse nei confronti dell'ambiente. Egerton, nel suo libro, descrive lo sviluppo della stessa come scienza e le relazioni dell’ecologia con altre discipline scientifiche. Il termine ecologia è stato introdotto per la prima volta nel 1866 dal biologo Haeckel, ed è definita come scienza che studia la relazione reciproca tra un organismo vivente, gli altri organismi e l'ambiente in cui vivono.

Nel 1798 Malthus afferma che il numero di individui di una popolazione cresce geometricamente (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 e così via), mentre il cibo disponibile non può mai crescere più che aritmeticamente (1, 2, 3, 4, 5 e così via). Ne consegue la necessità di procacciarsi risorse che sono limitate e una continua ‘lotta per la vita’. Per la prima volta nella storia Malthus ipotizza carenze alimentari per il genere umano qualora non si controllino le nascite.

Nel 1838 Verhulst descrive la curva di crescita di una popolazione in presenza di poche risorse trofiche. La curva prende il nome di curva logistica e costituisce il principale riferimento per la crescita di popolazioni. Darwin ha gettato le basi dell'ecologia classica, parlando dei fattori ambientali, e riferendosi alle "condizioni per la lotta per l'esistenza". Egli enuncia, nel 1859, la teoria dell’evoluzione delle specie, mette in evidenza l’importanza dei fattori ambientali sui fenomeni evolutivi sottolineando la necessità di studiare i rapporti tra organismi viventi e ambiente che li circonda.

Nel 1887 Forbes, in una sua opera, sottolineava come il lago rappresenti un ecosistema, un microcosmo, più ristretto e con confini maggiormente delimitati rispetto ad altri, divenendo di conseguenza più facilmente utilizzabile per la ricerca. Nel 1899 Cowles descrive la successione ecologica, ovvero le fasi di colonizzazione delle piante da una zona priva di vegetazione.

Biocenosi: insieme degli organismi viventi che interagiscono tra loro nell'ecosistema.

Divisioni dell'ecologia

L'ecologia si divide in:

• Sinecologia: ecosistemi visti come un tutt'uno, studia relazioni tra organismi, le loro interazioni e la loro interdipendenza nel loro ambiente di vita.
• Autoecologia: studia i rapporti ecologici intrattenuti da una sola specie vivente con il suo ambiente (fattori climatici, abiotici, alimentari, biotici).

Nascono le prime società scientifiche e gli ecologi iniziano a radunarsi, nascono le prime riviste internazionali. Anche statistici come Lotka e Volterra partecipano a questa scienza, descrivendo i rapporti tra diverse specie (preda-predatore) → nasce ecologia teorica.

Nel 1935 Tansley introduce il termine ecosistema, ovvero l'insieme dei fattori abiotici con le biocenosi, che possono avere un livello di organizzazione vario:

• Organismo: singolo individuo appartenente ad una specie.
• Popolazione: gruppo di individui della stessa specie.
• Comunità: tutte le popolazioni di una determinata area.

Nel 1972 Krebs definisce l'ecologia: lo studio scientifico delle interazioni che determinano la distribuzione e l'abbondanza degli organismi, interazione tra organismi e con l'ambiente.

Esempio delle componenti e delle relazioni che definiscono un ecosistema forestale: le componenti abiotiche dell'ecosistema, che includono il clima e il suolo, influenzano direttamente gli alberi della foresta. Gli erbivori si nutrono delle chiome, mentre i predatori si cibano di insetti. La volta della foresta intercetta la luce (sole, energia solare è ciò che fa muovere l'ecosistema), modificando la sua disponibilità per le piante del sottobosco. Varie specie di decompositori, grandi e piccoli, si cibano della materia organica morta accumulata sul suolo forestale rendendo disponibili i nutrienti, che a loro volta determinano la crescita delle piante.

Ecologia moderna e interdisciplinarità

Intorno al 1930 nasce l'ecologia moderna, che richiede l'appoggio di altre discipline come fisica, chimica, matematica, geologia; questa scienza, infatti, deve necessariamente studiare le interconnessioni tra le varie componenti dei sistemi naturali ed è, pertanto, una materia olistica, a cui non è applicabile l'approccio riduzionistico.

Macroecologia: studia le relazioni tra gli organismi e il loro ambiente definendo e quantificando le modalità di distribuzione spaziale e temporale delle specie e della biodiversità ad ampia scala.

Ecologia-urbanistica: elasticità dei piani urbanistici in relazione all'impatto ambientale.

Ecologia-scienze sociali; Ecologia-economia: per capire il livello di conservazione dell'ambiente.

Ecologia-economia servizi ecosistemici: sono quella serie di servizi che i sistemi naturali generano a favore dell'uomo:

• SE di regolazione di gas atmosferici, clima, acque, erosione, prevenzione del dissesto idrogeologico, regolazione dell'impollinazione, habitat per la biodiversità.
• SE di approvvigionamento di cibo, materie prime, acqua dolce, variabilità biologica.
• SE culturali, quali valori estetici, ricreativi, educativi, spirituali, artistici, identitari.
• SE di supporto (es. ciclo dei nutrienti).

Metodologie dell'ecologia

Spazio e tempo sono le due dimensioni che caratterizzano la vita degli organismi sulla Terra; l'ecologia indaga le cause che determinano la distribuzione nello spazio e la variazione della consistenza numerica nel tempo delle popolazioni. Utilizza (spesso) una scala temporale di osservazione non evolutiva.

I problemi ecologici:

• Nessun ecosistema può essere riprodotto artificialmente.
• In natura non si ha la possibilità di avere condizioni controllate (es. temperatura e umidità) e nel contempo di variare a piacimento queste condizioni e la possibilità di ripetere gli esperimenti e le osservazioni.
• Campionamento.

Molto spesso i dati ecologici si basano sul telerilevamento (o remote sensing), ovvero l'osservazione di una data area da parte di un dispositivo posto ad una certa distanza; si riesce a confrontare a lungo termine i cambiamenti di un'area. La geostatistica si occupa dell'analisi di dati geografici, capendo come varia un determinato ambiente e le possibilità della variazione stessa. Si può utilizzare la statistica per studiare la variabilità spaziale dove le concentrazioni di un certo organismo sono maggiori e può aiutare per una pianificazione.

Si parte dalle osservazioni e si passa ad interrogarsi con delle domande formulando delle ipotesi che dovranno essere verificate sul campo; se queste ipotesi, tramite elaborazione dei dati, vengono realizzate positivamente si può chiudere l'esperimento. Nel caso non fosse così, bisognerà riformulare altre ipotesi tenendo conto di fattori che prima non erano stati identificati o presi in considerazione. Per riuscire a capire ciò che succede in natura bisogna utilizzare dei modelli:

• Grafici: rappresentano cosa succede graficamente.
• Verbali: dichiarano la definizione di un determinato concetto.
• Matematici: attraverso calcoli, equazioni, ecc. di dati.

Bisogna, inoltre, raccogliere i dati con la stessa attrezzatura per non creare incongruenze dovute al cambio di attrezzatura.

Ecologia

L'ecosistema è costituito da fattori biotici di diverso livello di complessità uniti ai fattori abiotici (aria, sedimento, suolo, acqua) con determinate caratteristiche:

• Struttura;
• Funzioni;
• Organizzazione;
• Dimensione spaziale;
• Evoluzione.

Definizione di sistema: insieme di due o più componenti che interagiscono tra loro, circondate da un ambiente con cui può interagire o meno e la classificazione ha base termodinamica:

• Sistemi aperti: riceve e trasmette sia materia che energia;
• Sistemi chiusi: scambia solo energia con l'esterno;
• Sistemi isolati: non scambia con l'esterno né energia né materia.

Ad esempio, all'interno del sistema Terra abbiamo le sfere abiotiche che interagiscono con la biosfera, che abbraccia tutte le altre sfere abiotiche, le quali a loro volta interagiscono tra loro attraverso energia:

• Interna: geotermica;
• Esterna: Sole.

I sistemi sono entità complesse dovute al livello di interazioni complesse tra le componenti e dalle interrelazioni all'interno dei comparti e tra comparti; da ciò vengono generate proprietà emergenti: la somma delle singole componenti non è in grado di descrivere la complessità dell'insieme e dell'ecosistema. I componenti all'interno dell'ecosistema sono organizzati in una gerarchia:

• Individuo;
• Popolazione;
• Comunità;
• Ecosistema;
• Paesaggio;
• Biomi;
• Biosfera.

Man mano che aumenta la complessità, le funzioni diventano meno variabili e l'ecosistema diventa sempre più stabile. Prima di proteggere la specie bisogna proteggere l'habitat. Esistono meccanismi di regolazione per il mantenimento e corretto funzionamento dell'ecosistema:

• Meccanismi di retrazione (o di feedback - positivo o negativo): agiscono in maniera ciclica, o ad anello, e ogni processo all'interno di un sistema ha degli effetti a catena che, dopo un certo periodo di tempo, tornano a modificare il processo iniziale.

Da ciò derivano anche:

• Omeostasi: mantenimento di una determinata componente/meccanismo in equilibrio di un organismo (statica);
• Omeoresi: tendenza di un sistema al mantenimento di una determinata componente/meccanismo in un'equilibrio oscillante (dinamica).

Proprio su questo aspetto è stata formulata l'ipotesi Gaia, la quale dice che la biosfera è un super-organismo in grado di regolare le caratteristiche dell'ambiente fisico in cui vive.

Rete trofica: interazioni alimentari tra gli organismi che fanno parte della componente biologica;

• Livello trofico: posizione di un organismo all'interno della rete trofica;
• Connessione trofica: relazione alimentare tra organismi.

Da ciò deriva l'organizzazione trofica degli organismi:

1. Produttori: capaci di fotosintetizzare;
2. Erbivori: consumatori primari;
3. Carnivori: consumatori secondari.

Può essere che un organismo appartenga a diversi livelli trofici durante il corso della sua vita.

Biomassa: quantità di massa per un'unità di superficie (o di volume). La maggior parte è rappresentata dagli animali.

Diversi tipi di ecosistema

• Autotrofo: ecosistema produce energia (es. prateria di posidonia);
• Eterotrofo: ecosistema consuma energia (varie specie).

Funzioni dell'ecosistema:

• Trasferimento: dell'energia attraverso le reti trofiche;
• Organicazione: produzione di materia organica; autotrofi con utilizzo di energia luminosa (fotosintesi) o di energia chimica (chemiosintesi);
• Decomposizione: degradazione della materia organica morta. Si realizza attraverso un'interazione tra microrganismi, organismi decompositori, loro predatori e caratteristiche abiotiche.
• Percorsi di riciclizzazione: funzioni in termini di ciclizzazione nutrienti.

Perturbazioni e resilienza

Qualsiasi interferenza che si può avere nella struttura dell'ecosistema causa una perturbazione, ovvero un cambiamento nello stato del sistema che vada oltre il naturale intervallo di variazione del sistema e possono essere:

• Perturbazioni dovute a cambiamenti nell'ambiente fisico e chimico;
• Perturbazioni di origine biologica: dovute, ad esempio, all'introduzione di specie aliene o al dilagare di patologie, o anche all'aumento di popolazioni di predatori, causando danni all'ecosistema.

Due concetti importanti per la perturbazione:

• Resilienza: capacità di un sistema di recuperare lo stato iniziale in seguito ad una perturbazione;
• Recupero: componente della resilienza che identifica la capacità di un sistema di ritornare allo stato…
• Resistenza: capacità di opporsi alla perturbazione, abilità del sistema di evitare spostamenti dalla propria condizione;

Qualsiasi stress può portare a una deformazione della curva della crescita della popolazione. Alcune specie sono molto sensibili allo stress e, qualora fosse in intensità severa, potrebbero essere incapaci di ristabilire la popolazione, andando incontro all'estinzione. Le specie resistenti riescono ad opporsi alla perturbazione e a recuperare la normalità, mentre la specie resiliente riesce ad assorbire la perturbazione e, dopo un po' di tempo, a tornare alla loro condizione normale.

Interazioni con l’ambiente

Le risorse presenti in un ecosistema è quella sostanza, materiale o fonte di energia necessaria alla vita di un organismo. Le risorse possono essere:

• Essenziali: senza di esse non è possibile la sopravvivenza;
• Non essenziali: possono essere sostituite da altre risorse.

Ogni organismo necessità di determinate condizioni ambientali, ovvero fattori ambientali che variano nello spazio e nel tempo a cui gli organismi possono rispondere in modo diverso, variano in base al tipo di ambiente e agli organismi che lo abitano. (es. temperatura, pH). La valenza ecologica è la capacità di un organismo di tollerare il mutare delle condizioni ambientali:

• Eurivalente: valenza ecologica elevata, tollera di più il mutare del fattore, possono colonizzare ampi areali;
• Stenovalente: valenza ecologica bassa, tollera di meno il mutare del fattore, possono sopravvivere in areali a condizioni più stabili.

Le specie con grandi areali di distribuzione sviluppano razze geografiche adattate localmente con valori normali di crescita e i limiti di tolleranza adattati alle condizioni locali. Il fattore limitante è qualsiasi fattore abiotico che, presente al di sopra o al di sotto dei limiti di tolleranza, che limita o delimita la crescita di una popolazione. L'esistenza, l'abbondanza di una specie è determinata dai livelli di uno o più fattori fisici o chimici che cadono all'interno della sua fascia di tolleranza.

Ogni specie, ovviamente, ha il proprio limite di tolleranza:

• Mammiferi: molto sensibili, valenza ecologica ristretta;
• Insetti, batteri: tolleranza molto più ampia.
• Gli organismi possono avere un ampio intervallo di tolleranza per un fattore e uno più limitato per un altro;
• Gli organismi con ampi livelli di tolleranza per tutti i fattori sono probabilmente quelli più ampiamente diffusi;
• Se per una specie le condizioni non sono più ottimali relativamente ad un fattore, i limiti di tolleranza possono ridursi anche per altri fattori;
• I limiti di tolleranza di stadi legati alla riproduzione hanno limiti più ristretti di piante e animali in fase adulta.

Fitness: grado di affinità che un organismo manifesta nei confronti del suo ambiente ed è il risultato del livello di tolleranza rispetto ad una serie complessa di multifattori diversi.

L'acclimatazione è un adattamento a nuove condizioni che cambiano lentamente; ha dei limiti e via via che si modificano le condizioni la specie si avvicina sempre più al suo limite assoluto, può dare avvio ad un effetto soglia (o limite), ovvero una reazione dannosa o perfino fatale quando il limite di tolleranza è superato. L'effetto soglia spiega perché molti problemi ambientali sembrano sorgere improvvisamente e perché prevenire l'inquinamento in modo da non superare i limiti di tolleranza.

Fattori limitanti in ecosistemi

I principali fattori limitanti in ecosistemi terrestri:

• Temperatura;
• Acqua;
• Luce;
• Nutrienti suolo.

I principali fattori limitanti in ecosistemi acquatici:

• Temperatura;
• Luce;
• O₂;
• Nutrienti in soluzione;
• Salinità: concentrazione dei sali disciolti in un dato volume d'acqua.

La temperatura sulla Terra varia in funzione di numerose variabili e influenza la distribuzione degli organismi sulla Terra, può influenzare anche le fasi di sviluppo e la determinazione dei sessi di una specie. In base a come gli organismi riescono a regolare la temperatura corporea si distinguono in:

• Endotermi: regolano la temperatura producendo calore all'interno del corpo;
• Vantaggi:
• Maggiore velocità metabolica;
• Minore dipendenza delle temperature estreme (capacità di colonizzare ambienti più freddi);
• Maggiore rendimento fisico;
• Svantaggi:
• Elevata necessità di cibo con scarsa resistenza al digiuno;
• Minore durata media della vita;
• Ectotermi: regolano la temperatura ricorrendo a sorgenti di calore esterne;
• Vantaggi:
• Bassa richiesta energetica a livello metabolico;
• Resistenza a lunghi periodi di digiuno;
• Maggiore durata della vita media;
• Svantaggi:
• Vulnerabilità alle variazioni di temperatura;
• Incapacità di vivere in ambienti freddi.

Regola di Bergman: in ambienti freddi la massa corporea degli individui tende ad essere maggiore, l'aumento delle dimensioni permette di diminuire il rapporto superficie-volume e di disperdere meno calore;

Regola di Allen: gli organismi endotermi tendono a ridurre le dimensioni delle appendici corporee e degli arti ad assumere forme più rotonde in aree fredde rispetto alle aree calde.

Zonazione marina: zona fotica con penetrazione o meno della luce con conseguente variazione di temperatura; questo crea le condizioni per una distribuzione delle specie in zone distinte. Zonazione idrica (acqua marina): variazione luce, temperature, presenza piante acquatiche, pendenza percorso d'acqua determina variazione dei pesci.