Dagli ecosistemi autosufficienti al progetto life on Mars

Saveri 5^°A

Marco, Liceo scientifico E. Torricelli

Tesi d'esame, anno scolastico 2006/2007

Dagli ecosistemi autosufficienti al progetto “Life on Mars”

Indice

• I. Ecosistemi autosufficienti
• 1.1. Cos'è un ecosistema biologico
• 1.2. I componenti di un ecosistema
• 2.1. Le piante
• 2.2. Gli animali
• 2.3. I batteri
• 1.3. Quando l'ecosistema diventa autosufficiente
• 1.4. Basi di chimica organica
• 4.1. Le reazioni chimiche nelle piante - fotosintesi
• 4.2. Le reazioni chimiche negli animali - respirazione
• 4.3. Le reazioni chimiche nei batteri - decomposizione
• II. Un esempio di micro-ecosistema artificiale: l'acquario
• 2.1. Cos'è un acquario
• 2.2. Diversi tipi d'acquario
• 2.3. Elementi di un acquario
• 3.1. I “pezzi”
• 3.1.1. La vasca
• 3.1.2. Le luci
• 3.1.3. Il filtro
• 3.1.4. La ghiaia e il terriccio
• 3.1.5. I bioregolatori e i concimi
• 3.2. I pesci
• 3.3. Le piante
• 3.4. I batteri
• 2.4. Creare un acquario
• 2.5. Mantenere l'acquario nel migliore dei modi
• 2.6. Curiosità: il nano-acquario
• III. Il progetto “Life on Mars”
• 3.1. Il pianeta Marte
• 1.1. La posizione nel sistema solare e l'orbita
• 1.2. Il pianeta e le sue caratteristiche
• 1.3. Le lune marziane Phobos & Deimos
• 1.4. Le caratteristiche del suolo
• 1.5. La composizione dell'atmosfera
• 3.2. Il progetto della NASA e la vita sul pianeta

Cap. 1° Ecosistemi autosufficienti

1.1. Cos'è un ecosistema biologico

Da duemila anni a oggi l'uomo si è evoluto ad un ritmo spaventoso, ha aumentato le sue conoscenze e con esse le sue tecnologie in maniera esponenziale ed è arrivato al punto di essere in grado di plasmare e sconvolgere la natura a suo piacimento talvolta però pagandone le conseguenze.

A causa di ciò, purtroppo, noi che siamo abituati a vivere nelle città non ci rendiamo conto di come la natura, che alle nostre origini ci ospitava e ci accudiva, sia organizzata.

La biologia e l'ecologia sono le scienze che si occupano dello studio della natura, dei suoi sistemi e dei suoi componenti. In tali studi viene presa in considerazione tutta la porzione del pianeta all'interno della quale si sviluppa e si mantiene la vita, tale spazio è detto biosfera e si estende da circa trenta chilometri sotto la superficie terrestre a circa una decina di chilometri sopra, comprendendo profondità marine, suolo, sottosuolo, laghi, monti e deserti.

Questa enorme area però, presenta un numero di differenti caratteristiche climatiche e morfologiche elevatissimo a causa del quale le varie zone della biosfera sono diversissime l'una dall'altra ed è assai difficile studiarle e descriverle allo stesso modo e come se si trattasse di una cosa sola, per rendere meglio l'idea basta pensare a quante differenze vi siano tra la giungla e il deserto oppure tra gli abissi oceanici e le vette Himalayane.

Per risolvere questo problema, biologi ed ecologi hanno deciso di suddividere la biosfera in zone diverse, considerando aree più ristrette e che presentassero caratteristiche più uniformi e hanno chiamato queste zone biomi.

In un bioma, dove le caratteristiche fondamentali dell'ambiente sono le stesse, si sviluppano forme di vita simili tra loro, sia vegetali che animali e sono proprio queste il fattore discriminante che ci permette di distinguere un bioma dall'altro. Tra biomi terrestri e biomi marini esiste una differenza, i biomi terrestri, infatti, sono identificati principalmente a seconda delle condizioni ambientali generali e della vegetazione presente in quelle aree, mentre l'identificazione dei biomi marini si basa principalmente sulla presenza di precise specie animali.

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Il fattore principale che influisce sulle caratteristiche ambientali, sulla flora e sulla fauna di un bioma è il clima della zona interessata e la prova di ciò si ha se si confrontano la mappa dei principali biomi terrestri con quella delle zone climatiche: nonostante quella dei biomi sia più complessa le similitudini sono moltissime e non lasciano dubbi.

Climi terrestri Biomi

Approfittando del fatto che abbiamo qui sopra la carta con tutti i principali biomi del nostro pianeta è opportuno che io citi i più importanti inserendoli nella legenda esplicativa della cartina.

• Foresta tropicale sempreverde (foresta pluviale)
• Savana umida e foresta sempreverde (foresta galleria)
• Savana umida e boscaglia asciutta, savana ad arbusti spinosi e piante grasse
• Foresta intertropicale d'altitudine
• Deserti e subdeserti tropicali
• Bosco subtropicale a foglie persistenti (macchia mediterranea)
• Steppa erbosa ed arbustiva subtropicale
• Foresta umida subtropicale
• Deserti e sub-deserti ad inverno freddo
• Foresta a foglie caduche e foresta mista
• Praterie boreali
• Foresta di conifere
• 1. Tundra e vegetazione d'alta montagna

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Nonostante i biomi offrano una visione molto più dettagliata di quella che è l'organizzazione della vita sulla Terra prendono in considerazione aree troppo estese all'interno delle quali esistono zone più limitate dove la vita si organizza per mantenere un equilibrio che le consenta di conservarsi. Queste zone che possono essere considerate come le unità fondamentali dei sistemi ecologici sono definite ecosistemi biologici.

Riassumendo possiamo dire che un ecosistema è il luogo dove una certa quantità di esseri viventi, sia vegetali che animali, compresi i batteri, vivono in equilibrio tra loro grazie anche alle condizioni climatiche e morfologiche di quella zona; tanti ecosistemi che hanno simili caratteristiche sono raggruppati nei biomi e tutti i biomi del nostro pianeta formano la biosfera.

Un ecosistema, per essere tale, deve presentarsi con delle precise qualità:

• 1) Deve essere un sistema aperto dal punto di vista energetico, questo significa che nel sistema l'energia non si conserva ma fluisce unidirezionalmente, arriva come radiazione solare e si disperde, alla fine di un complesso processo (che analizzerò più avanti nel mio lavoro), sotto forma di calore;
• 2) Deve essere un sistema chiuso dal punto di vista della materia nel senso che la materia di un ecosistema viene riciclata e riutilizzata dagli esseri viventi sia sotto forma di materiale organico che nella forma minerale.

Un'ulteriore qualità degli ecosistemi è che sono dinamici e sono in grado di autoregolarsi, dinamici li si definisce perché, nel tempo, non rimangono mai uguali a loro stessi ma si modificano o meglio si autoregolano per mantenersi in equilibrio. Questa capacità degli ecosistemi di automodificarsi è ciò che li rende in grado di sopravvivere qualora si dovessero verificare delle variazioni causate da fattori esterni, ovviamente però, ciò vale entro un certo lasso di tempo e per un certo grado di variazione; infatti al di fuori di tali valori l'equilibrio tra le componenti del sistema può spostarsi in modo irreversibile, determinando l'alterazione o la morte dell'ecosistema stesso o il passaggio verso un nuovo stadio della successione ecologica.

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1.2. I componenti di un ecosistema

Alla base di una definizione razionale di ecosistema sta l'osservazione che nessun organismo vive in isolamento, bensì è in relazione sia con l'ambiente fisico-chimico che lo circonda sia con altri esseri viventi. Da una parte queste interazioni sono necessarie per la stessa sopravvivenza e riproduzione, in quanto ogni organismo è soggetto a deperimento ove non provveda, mediante il nutrimento, a mantenere funzionante la sua complicata organizzazione interna. Dall'altra ogni essere vivente, essendo oltre che soggetto attivo anche soggetto passivo di queste interazioni, trova proprio in esse un limite alla capacità di sopravvivere e riprodursi. Tale capacità non è indefinita ma funzione sia delle proprietà fisico-chimiche dell'ambiente circostante sia della natura ed abbondanza degli altri organismi che si trovano nel medesimo ambiente.

Nella maggior parte dei casi si può affermare che un ecosistema è costituito da una componente biotica, che comprende piante, animali e batteri, e una componente abiotica che può essere considerato l'insieme di tutto ciò che c'è, di non vivente, in quell'ambiente come ad esempio i tipi di terra e di roccia, i minerali presenti, la quantità di acqua nella zona e, in caso di ambiente montano, la pendenza del versante che influisce sulla quantità e sull'intensità della radiazione solare.

Tutti questi elementi sono inseriti in due cicli fondamentali che garantiscono la sopravvivenza di tutto l'ecosistema, il primo ciclo è un ciclo di tipo energetico mentre il secondo, molto più complesso, è il ciclo delle sostanze chimiche delle quali ogni essere vivente ha bisogno per vivere.

Il ciclo energetico è un passaggio di energia a senso unico che coinvolge solo la componente biotica e che, partendo dalle piante che sfruttano per prime l'energia solare, percorre tutta la catena alimentare. Come tutti sanno, infatti, i carnivori si nutrono degli animali più piccoli in genere erbivori o altri piccoli predatori, gli animali erbivori traggono le loro energie con l'assimilazione delle piante che a loro volta l'avevano assorbita dal sole attraverso la fotosintesi clorofilliana (che analizzeremo nei prossimi capitoli).

Alla fine di questo ciclo troviamo i batteri che si cibano dei resti degli animali morti e con quest'ultimo passaggio possiamo ritenere concluso il ciclo dell'energia, anche se definirlo ciclo non è del tutto corretto in quanto è per lo più un passaggio di energia in una sola direzione che invece di chiudersi deve costantemente ripartire dalle piante e dalla fotosintesi.

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Il secondo ciclo, quello molto più complesso delle sostanze chimiche, è un ciclo chiuso che convenzionalmente si fa partire dalle piante che con le loro radici raccolgono dal terreno, assieme all'acqua, tutti i minerali e le sostanze chimiche di cui hanno bisogno. A questo punto intervengono gli animali erbivori e gli insetti che, cibandosi delle piante e dei loro frutti, assimilano le sostanze chimiche comprese quelle che sono state trasformate dalla pianta in vitamine, proteine e altre sostanze attraverso delle reazioni che saranno tutte analizzate nel capitolo dedicato alla chimica nelle piante. I passaggi seguenti sono l'assimilazione da parte dei predatori carnivori degli animali più piccoli, la morte di animali e piante e la loro decomposizione a cura dei batteri che ritrasformano vitamine, proteine, carboidrati e tutte le altre sostanze in elementi chimici più semplici che verranno poi catturati dalle radici delle piante facendo ripartire il ciclo. Se poi si volesse entrare di più nei particolari si troverebbero delle deviazioni dal ciclo standard o dei piccoli sottocicli come accade ad esempio nel caso dei funghi che traggono le sostanze di cui hanno bisogno direttamente dalle piante e si reinseriscono poi nel ciclo venendo mangiati da certi animali o morendo e decomponendosi.

Per giustificare il passaggio dell'energia e di sostanze chimiche e non da un essere vivente all'altro è stato introdotto indirettamente il concetto di catena alimentare che può essere più chiaro se si considera il fatto che la funzione di un organismo all'interno dell'ecosistema può essere differente. Si riconoscono infatti organismi produttori, che come abbiamo già visto, sono capaci di svolgere la fotosintesi e di produrre materia organica (autotrofia), e organismi consumatori, incapaci di elaborare sostanza organica e perciò costretti a procurarsela nutrendosi di altri organismi (eterotrofia). I consumatori sono detti primari se si nutrono di produttori (animali erbivori); secondari se predano consumatori primari (animali carnivori); terziari se predano i consumatori secondari e così via. In genere, si dicono superpredatori gli organismi che non vengono predati e che, quindi, “chiudono” la sequenza.

Tale insieme di passaggi è detto catena alimentare, perché stabilisce il “chi mangia cosa” dell'ecosistema. In altri termini, la catena alimentare è la sequenza dei rapporti trofici, o nutritivi, tra gli organismi. In realtà, negli ecosistemi in genere è più frequente individuare reti alimentari che catene; infatti in molti casi i rapporti si fanno più complessi, e un predatore può essere consumatore di vari livelli. Ad esempio, una volpe può cibarsi di frutti, comportandosi da consumatore primario, e di piccoli mammiferi erbivori, essendo in tal caso un consumatore secondario.

Nel grafico qui sopra possiamo farci un'idea dell'interazione dei due cicli: le frecce rosse rappresentano quello dell'energia che, compiuta una parte del giro, si disperde nell'ambiente sotto forma di calore, mentre quelle grigie schematizzano il ciclo delle sostanze chimiche.

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Nei seguenti paragrafi analizzeremo singolarmente i vari componenti dell'ecosistema partendo dai produttori, passando per i consumatori primari, secondari, terziari ecc... e concludendo poi coi decompositori.

1.2.1. Le piante

Il lavoro fondamentale lo fa la pianta, che ha saldato insieme il carbonio e l'ossigeno con l'idrogeno per formare la molecola energetica (carboidrati) sulla quale si reggono gli organismi di un ecosistema.

Per fare questo lavoro la pianta ha bisogno di materia e di energia: la materia, l'anidride carbonica, l'ha trovata nell'aria e nell'acqua ha trovato idrogeno ed ossigeno; l'energia l'ha trovata nella luce solare.

Attraverso la clorofilla, il pigmento verde della foglia, la pianta, nella reazione della "fotosintesi", ha intrappolato l'energia solare e se ne è servita per spezzare la molecola dell'acqua: così facendo ha avuto a disposizione degli atomi di idrogeno da cucire all'anidride carbonica ed ha liberato ossigeno.

Proprio grazie al fatto che la pianta costituisce la “fabbrica” all'interno della quale si formano i carboidrati, essenziali per tutte le forme di vita, sono detti produttori.

Inoltre la pianta costituisce la fonte di una grande quantità di proteine, vitamine e fibre.

1.2.2. Gli animali

Se, come abbiamo detto, possiamo considerare le piante come produttori, gli animali rivestono a loro volta il ruolo dei consumatori. Loro, infatti, non sono in grado di produrre carboidrati, molecole organiche nei cui legami è immagazzinata l'energia assorbita dal sole e necessitano quindi di introdurre all'interno del loro corpo questi carboidrati cibandosi di piante e di altri animali che a loro volta si erano cibati di piante. Una volta assimilate queste molecole energetiche, l'animale deve spezzare i legami chimici presenti tra carbonio, idrogeno e ossigeno per liberarne l'energia e per fare ciò ha bisogno di un ulteriore apporto di ossigeno che gli viene dalla respirazione.

Oltre che di energia un essere vivente ha bisogno anche di vitamine, proteine e fibre, necessarie per la costruzione e il mantenimento del corpo e anche in questo caso l'animale non è in grado di sintetizzarle a partire dai singoli elementi chimici e deve nuovamente cibarsi della pianta, se è un consumatore primario, o di altri animali, se è un consumatore secondario.

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1.2.3. I batteri

Presto o tardi il ciclo vitale di tutti i singoli esseri viventi è destinato a concludersi e quando un animale o una pianta muoiono entrano in gioco i batteri o meglio i decompositori. I decompositori sono organismi eterotrofi, per la maggior parte batteri e funghi, che decompongono le materie complesse di organismi morti, assorbono alcuni dei prodotti decomposti per i loro fabbisogni, e liberano materie nutritive inorganiche utilizzabili dai produttori.

La funzione primaria della composizione è la mineralizzazione dei residui organici e la produzione di sostanze nutritive per le piante. Se volessimo potremmo dividere la decomposizione in tre stadi:

• Il primo è la produzione di detrito particolato per azione fisica e biologica;
• Il secondo stadio è la produzione relativamente rapida di humus e la liberazione di sostanze organiche solubili ad opera dei decompositori (batteri e funghi);
• Il terzo è la lenta mineralizzazione dell'humus.

La decomposizione è una forma vitale perché, se non si verificasse, tutte le sostanze nutritive rimarrebbero imprigionate negli organismi morti e non si potrebbe più avere alcuna forma di vita.

1.3. Quando l'ecosistema diventa autosufficiente

Per definizione un ecosistema è considerato autosufficiente nel momento in cui si verifica una situazione di equilibrio, equilibrio tra produttori e consumatori, tra consumatori primari e consumatori di altri gradi e tra la velocità del processo di produzione di sostanze organiche e la velocità di decomposizione. Generalizzando si deve verificare una situazione nella quale il ciclo, o meglio i cicli delle sostanze chimiche essenziali per gli esseri viventi (carbonio, azoto, ossigeno e fosforo) siano in equilibrio. Per fare un esempio, se in un dato sistema abbiamo una quantità totale di fosforo è necessario che la velocità con cui le piante lo estraggono dal terreno sia la stessa con cui il fosforo compie tutto il suo ciclo passando attraverso i consumatori primari, secondari e così via fino a essere nuovamente reintrodotto nel terreno attraverso la decomposizione.

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