Ecologia - Appunti

Ecologia: definizioni e livelli di organizzazione

Il termine Ecologia viene da oikos=casa, ambiente e logos=discorso e venne per la prima volta coniato da Ernst Heinrich Haeckel (1834-1919), come “scienza dei rapporti dell’organismo con l’ambiente”. Nel 1972 Krebs dà una definizione più precisa su cosa studia l’ecologia, egli definisce l’ecologia come “lo studio scientifico delle interazioni che determinano la distribuzione e l’abbondanza degli organismi”. Begon l’ecologia è “lo studio scientifico della distribuzione e dell’abbondanza degli organismi e delle interazioni che determinano distribuzione ed abbondanza”. L’ecologia è lo studio della struttura e del funzionamento degli ecosistemi per Odum.

Il Mondo dei viventi può essere visto come una gerarchia biologica che inizia con le cellule, continua con i tessuti, gli organismi sino ad arrivare alla biosfera. L’ecologo non studia le molecole o cellule. Organismi e popolazioni possono essere studiati da genetica, fisiologia e ecologia.

L’ecologia può essere suddivisa in due grosse aree: autoecologia e la sinecologia. L’autoecologia studia gli adattamenti morfologici e fisiologici di una data specie in rapporto all’ambiente in cui vive (es. range temperatura o luminosità). La sinecologia studia i rapporti esistenti tra i vari membri di una comunità. (Lanza et al. 1982).

Organismi unitari e organismi modulari

Gli organismi unitari sono quelli che hanno la forma prevedibile e determinata (es. tigre, cane). Mentre gli organismi modulari si accrescono mediante la ripetuta produzione di moduli e formano quasi sempre una struttura ramificata Il loro programma di sviluppo non è prevedibile (es. corallo di cui non si sa con certezza quante ramificazioni hanno, lemna, hydra dal cui corpo può comparire un nuovo organismo, trifoglio, lo cnidario pennaria, organismi rizomatosi e stoloniferi come la felce, organismi formanti cespugli comprendenti moduli strettamente impacchettati come la festuca, organismi persistenti pluriramificati come le piante ad alto fusto).

Per gli organismi modulari possiamo parlare di genet cioè individuo che inizia la vita come zigote unicellulare. Il genet si divide in ramet e moduli. Il Ramet è il membro di una unità modulare di un clone, avente la capacità di condurre un’esistenza indipendente se separato dall’organismo parentale (es. se in una fogliolina della lemna se ne forma un’altra questa si può staccare). I Moduli sono il membro di una unità modulare di un clone, non avente la capacità di condurre un’esistenza indipendente se separato dall’organismo parentale (se io separo il modulo delle radici nelle piante ad alto fusto, l’organismo muore).

Popolazione e metapopolazione

La popolazione è l’insieme di organismi appartenenti alla stessa specie che vivono nello stesso spazio e nello stesso tempo; ogni individuo ha una uguale probabilità di scambiare i propri geni con altri individui della stessa popolazione, quindi hanno uguale probabilità di riprodursi.

Mentre la metapopolazione è l’insieme di popolazioni interconnesse “geneticamente tra loro” per lo spostamento di singoli individui tra diverse popolazioni. All’interno di una metapopolazione si osserva una diversa probabilità di scambiare geni tra individui di diverse popolazioni (es. cavedani si trovano nel naviglio grande e nel naviglio pavese e ogni tanto capita che qualcuno si scambia, non sono isolati). Nello schema vediamo come ragionando in orizzontale si parla di popolazione mentre in verticale della metapopolazione. L’estinzione (E) in alcuni periodi storici e la successiva ricomparsa delle popolazioni 2, 4, 5 e 6 è spiegabile tenendo conto del concetto di metapopolazione, probabilmente la ricomparsa sarà arrivata da una popolazione vicino.

All’interno di una metapopolazione è possibile distinguere due diverse categorie di popolazioni:

• Popolazioni Pozzo: generano meno figli di quanti sarebbero necessari per mantenere la popolazione.
• Popolazioni Sorgente: in grado di produrre più discendenti di quanti ne siano necessari per mantenersi nel tempo.

Una sorgente può dare origine ad una più piccola pozzo ed essere interconnessa con un’altra sorgente che darà origine ad altre pozzo.

Comunità ecologica ed ecosistema

La comunità ecologica può essere definita come l’insieme degli organismi (piante animali ecc.) che occupano un’area. Un ecologo si pone domandi quali:

• Cosa controlla l’abbondanza relativa delle specie all’interno della comunità?
• Come interagiscono le specie tra loro?
• Come cambiano le comunità nel tempo?
• Come interagiscono le comunità a grande scala (ecologia del paesaggio)?

Una definizione di comunità può essere quella di un gruppo di specie che occupano una data area e che interagiscono direttamente o indirettamente (concetto spaziale). Le popolazioni in una comunità interagiscono tra loro. Una più restrittiva definizione di comunità è definita come un sottoinsieme di specie (piante, uccelli, piccoli mammiferi, pesci) in cui si ha una relazione di similarità tra membri della comunità. Quindi si potrebbe studiare la comunità di coralli della barriera corallina o quella di pesci, ma sappiamo che la comunità comprende tutto. Una comunità ha attributi che differiscono da quelli dei suoi componenti:

• Numero di specie.
• Abbondanza relativa delle specie.
• Abbondanza di specie.
• Natura dell’interazione tra le specie.

Le specie chiave sono in grado di influenzare la struttura della comunità in modo sproporzionato rispetto al loro numero. Ad esempio le modalità distruttive di nutrizione dell’elefante africano permettono la crescita dei prati.

Le comunità si dividono in: Comunità Biologicamente Condizionate sono comunità stabili caratterizzate da un elevata diversità specifica, le condizioni fisiche tendono a essere costanti e i loro parametri condizionanti sono dati dalle interazioni biologiche (competizione, predazione, simbiosi ecc); Comunità Fisicamente Condizionate sono comunità sottoposte ad un grosso stress fisiologico e si hanno poche specie ciascuna con un elevato numero di individui.

L’ecosistema è l’insieme della comunità biologica e del suo ambiente fisico. La distribuzione e l’abbondanza delle specie e la struttura biologica della comunità varia in risposta alle condizioni ambientali. Gli organismi, almeno in parte, modificano l’ambiente abiotico. Ad esempio le piante che crescono sulle colate di lava dei vulcani delle Hawaii possono sgretolare la lava sottostante e modificare l’ambiente. Un altro esempio sono i licheni, insieme di alghe e funghi, che sono in grado di sgretolare lentamente le rocce.

Biomi e biosfera

I biomi sono comunità caratteristiche di regioni climatiche ampie. In una zona ampia caratterizzata da temperature medie e piovosità medie danno origine ad un certo bioma (insieme ecosistemi). Non si sa quanti siano i biomi. Possono essere classificati in base alle piante dominanti. Vediamo 8 principali biomi:

• Foresta tropicale.
• Foresta temperata.
• Foresta a Conifere (detta anche taiga o foresta boreale).
• Prateria temperata.
• Savana tropicale.
• Macchia Chaparral.
• Tundra.
• Deserto.

La biosfera è lo strato di vita che circonda la terra, quindi è l’insieme dei biomi (e quindi degli ecosistemi). Nel terreno va fino a qualche centinaio di metri, in mare a qualche chilometro in profondità e nell’atmosfera qualche chilometro in altezza. Di biosfera ne esiste solo una.

Ma esiste anche la Biosfera 2. Costruita tra il 1987 e il 1991, la Biosfera 2 (il 2 deriva dal fatto che la biosfera 1 è quella che avvolge la Terra) è una struttura progettata per contenere un ecosistema completo e autosufficiente (comprende foreste, oceano, deserto, piante, animali), al fine di studiare applicazioni per una futura colonizzazione spaziale, ma anche la crescita di piante e animali, i cicli vitali dei più diversi organismi viventi, il riciclo di aria e acqua e così via. L’idea era quella di creare migliorie tecnologiche per poi andare a colonizzare la luna e marte, quindi la struttura doveva autosostenersi.

Fattori ecologici e risorse

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. Possono essere divisi in fattori Abiotici come luce, temperatura e caratteristiche chimo-fisiche del suolo e fattori Biotici come la competizione, predazione e parassitismo. I fattori ecologici possono essere anche divisi in Condizione cioè una quantità non consumabile né esauribile come temperatura, umidità e salinità e in Risorsa che è una quantità consumabile e esauribile come spazio e cibo. Quando un fattore ecologico assume per un dato organismo valori che superano i limiti di tolleranza, esso diviene un fattore limitante, impedendone la vita, la crescita, o la dispersione, anche se altre condizioni ambientali sono favorevoli. Ad esempio noi ci troviamo in un range tra i -30 e +30 gradi, al di là di quei valori moriremmo. Vediamo nel grafico più a sinistra la fitness della specie cioè il numero di figli che ciascun individuo è in grado di produrre il quale possa raggiungere la maturità sessuale e possa riprodursi a sua volta. Più la condizione ambientale è favorevole, più è facile che un individuo abbia dei figli. Nella gaussiana c’è un range S-S di temperatura o pH all’interno il quale la specie è in grado di sopravvivere, mentre il range G-G permette alla specie di crescere, mentre nello spazio R-R la condizioni di temperatura/pH sono favorevoli alla riproduzione. Ma non tutti i fattori sono in grado di dare una gaussiana. Sul grafico intermedio vediamo che i veleni a basse concentrazioni sono in grado di riprodursi, ma man mano che la concentrazione aumenta è in grado di crescere e più aumenta avrà solo la capacità di sopravvive (oltre morirebbe). Rame e cloruro di sodio devono essere presenti in piccole concentrazioni nell’organismo, quindi se abbiamo una piccola quantità la specie è in grado di riprodursi, ma se aumentasse la specie sarebbe solo in grado di crescere e oltre di sopravvivere.

Risorse consumabili ed esauribili

Risorse consumabili ed esauribili si possono dividere ulteriormente in: risorse essenziali, perfettamente sostituibili, complementari e antagoniste.

Le risorse essenziali devono essere garantite entrambe affinché l’organismo riesca a completare il suo ciclo biologico. Ad esempio nella vita delle farfalle Heliconius, la risorsa 1 potrebbe essere la foglia della Passiflora e la risorsa 2 il nettare della Cucurbitacea Gurania per la farfalla adulta. Quindi per far crescere il ciclo riproduttivo delle farfalle dovrò garantire entrambe le risorse (se io do un tot di risorsa 1 avrò un tot di farfalle, ma se ne avessi il doppio otterrò il doppio anche di organismi).

Quando una risorsa può sostituire completamente l’altra, ad esempio per le piante i semi del frumento o dell’orzo nella dieta di un pollo da cortile si parla di risorse perfettamente sostituibili. Posso dare o il 100% della risorsa 1 o il 100% della risorsa 2 o il 50% di 1 con 50% di 2. Se ne darò poco la popolazione sarà un tot, aumentando le risorse la popolazione aumenta.

Le risorse complementari sono quelle che se date insieme lavorano sinergicamente in modo positivo e quindi l’organismo ha bisogno di meno energia per vivere. Ad esempio gli esseri umani che mangiano certi tipi di fagioli insieme al riso riescono ad aumentare del 40% il contenuto di proteine utilizzabili del loro cibo. I fagioli sono ricchi di lisina (scarsamente presente nel riso) mentre il riso è ricco di amminoacidi contenenti zolfo (presenti in piccola quantità nei fagioli). Se io mangiassi solo uno dei due elementi il mio corpo dovrebbe spendere energia per formare l’amminoacido che si trova nell’altro alimento.

Le risorse antagoniste sono quelle che se date insieme interagiscono sinergicamente per produrre una sostanza tossica, il corpo dovrà poi spendere energia per detossificarsi. Anche in questo caso le risorse possono essere fornite singolarmente ma nel caso in cui l’organismo si nutra di entrambe le risorse è necessario che vengano mangiate maggiori quantità. Es.: L’acido D, L- Pipecolico e l’Acido Diencolico (sostanze difensive presenti in certi semi).

Temperatura, metabolismo e adattamento

Gli organismi possono essere omeotermi (solo uccelli e mammiferi così l’organismo è sempre attivo ma costa energia) o eterotermi i quali non sono in grado di controllare la temperatura del corpo (protozoi, vermi, molluschi, insetti, pesci, rettili).

Negli Eterotermi è possibile considerare il Q10 cioè il coefficiente metabolico. Nel grafico vediamo il consumo di ossigeno in relazione alla temperatura e questo è un parametro metabolico perché più ossigeno si consuma più il metabolismo è attivo. Negli eterotermi il metabolismo dipende dalla temperatura, vediamo che nel grafico da 10 gradi a 20 gradi il metabolismo raddoppia. Ma se andiamo da 20 a 30 arriveremmo a 400. Il Q10 dice che ogni aumento di 10 gradi negli organismi eterotermi il metabolismo raddoppia. Funziona entro un certo range perché i vari organismi possono sopravvivere a determinate temperature. Il Q10 funziona partendo dallo 0 fisiologico che è la temperatura alla quale un organismo eterotermo è in grado di iniziare ad accrescersi (per la dorifora, un coleottero è 5 gradi). Se il metabolismo aumenta con la temperatura allora in teoria lo sviluppo di una larva aumenta con la temperatura. Vediamo l’esempio della cavalletta che ha come 0 fisiologico 16 gradi. A 20 gradi la cavalletta ci metterebbe 17,5 giorni a riprodursi, mentre a 30 gradi ci metterebbe 5 giorni. Ma il prodotto della differenza tra la temperatura e quella dello 0 fisiologico col numero di giorni otteniamo lo stesso numero, sempre 70. Quindi si possono calcolare in gradi-giorno la vita degli organismi eterotermi.

Alcuni organismi vivono a basse temperature ed hanno sviluppato la tecnica dell’acclimatazione cioè la capacità di un individuo di acclimatarsi alle condizioni ambientali. Lentamente l’organismo cerca di acclimatarsi alle variazioni dell’ambiente per evitare che arrivi ad un punto di congelamento in cui l’acqua delle cellule formano dei cristalli quando fa freddo ed hanno dimensioni maggiori e perciò rompe le membrane delle cellule. Era stato fatto un esperimento sul collembolo, Cryptopygus antarcticus, portandolo da una temperatura di 5 gradi a 2 gradi. Videro che dopo un secondo faceva scendere la temperatura corporea. L’organismo muore per congelamento a -14 gradi. Se invece prendo l’organismo dai 5 ai 2 e poi molto lentamente abbasso la temperatura, l’organismo ha il tempo di acclimatarsi e muore a circa -20 gradi.

Nel radiatore della macchina si mette l’anticongelante per interporsi tra le molecole d’acqua per non formare i cristalli d’acqua. La molecola principale dell’anticongelante è il glicole etilenico che è molto simile a molecole di glicerolo. La variazione di molecole di glicerolo che derivano dallo spacchettamento del glicogeno può evitare il congelamento. Il glicogeno viene liberato dagli organismi eterotermi nei periodi freddi, invernali. Esistono pesci che vivono in acque freddissime sottozero nel polo sud come gli icefish che non presentano emoglobina e eritrociti e l’ossigeno viene direttamente assorbito dalla pelle. Il punto di congelamento del sangue dei Nototenioidei è di -1.9 °C, grazie ad alcune caratteristiche chimicofisiche particolari: 40 % per maggiore quantità di NaCl (impedisce formazione di cristalli); il 5% per la presenza di potassio, urea, glucosio e aminoacidi; il 55% per la presenza di peptidi anticongelanti.

Regole degli omeotermi, letargo e ibernazione

Non è che gli organismi omeotermi se ne fregano della temperatura, anzi sono state sviluppate delle regole. La regola di Allen dice che gli endotermi dei climi freddi hanno appendici più brevi e la regola di Bergmann che gli endotermi dei climi freddi sono più grandi ciò perché maggiore è la superficie del corpo minore è il rapporto superficie/volume e minore è la dispersione di calore. Gli endotermi se fa molto freddo vanno in letargo o in ibernazione. Il letargo è un comportamento caratteristico di alcuni mammiferi e rettili che durante la stagione fredda riducono le proprie funzioni vitali e rimangono in stato di quiescenza. Durante questo periodo si nutrono di riserve di grasso immagazzinate durante i mesi autunnali. Fra gli animali che vanno in letargo ricordiamo gli orsi, i procioni, gli scoiattoli, i pipistrelli, le tartarughe di terra del genere Testudo ed altri rettili. Durante la fase letargica, la temperatura corporea dell'animale si abbassa, di poco in alcune specie (passando da 37 a 31 gradi centigradi negli orsi) fino a raggiungere anche i -2 gradi centigradi in altre specie come gli scoiattoli. Nel periodo del letargo per gli omeotermi la temperatura scende per poi risalire quando torna il bel tempo. Ricorrono all'ibernazione diversi tipi di invertebrati, ma anche anfibi, rettili, mammiferi come l'orso bruno, il tasso, la marmotta, in special modo in inverno nelle regioni fredde o temperate. L'ibernazione differisce dal letargo perché non è un vero lungo sonno: gli animali ibernati possono reagire a stimoli, seppure in modo torpido. L'adattamento permette a questi animali di sopravvivere in una condizione di ibernazione grazie all'alta concentrazione di sostanze nel circolo sanguigno che impediscono all'acqua di congelare. Come il liquido antigelo di un radiatore di automobile così varie sostanze, come sali, urea, a