Appunti di Ecologia

Ecologia

Ecologia: è la scienza che studia le interazioni tra organismi e il loro ambiente. Si ha una suddivisione dell'ecologia in:

• Animale: focalizzata sulle dinamiche di popolazione
• Vegetale: focalizzata sullo studio delle associazioni di specie

Sottodivisioni dell’ecologia

• Autoecologia: studia le relazioni tra l’organismo ed i fattori abiotici dell’ambiente in cui esso vive
• Sinecologia: studia il modo in cui organismi omospecifici ed eterospecifici costituiscono le popolazioni e le comunità e come queste si modificano nel tempo e interagiscono con la parte abiotica dell’ambiente

Gli organismi interagiscono direttamente/indirettamente tra loro e con l’ambiente circostante; tutto insieme questo rappresenta l’ecosistema.

Ecosistema

L’ecosistema è l'unità funzionale di base alla quale si riferisce l’ecologia e può essere definito come l’insieme degli organismi che vivono in una data area e che interagiscono tra di loro e con l’ambiente abiotico costituito da materia ed energia. L’ecosistema è formato quindi da due componenti:

• Componente biotica (vivente): costituita da organismi (piante, animali, microbi) che vivono all’interno dell’ecosistema
• Componente abiotica (non vivente): costituita dall’atmosfera, dal clima, dal suolo e dall’acqua, dall’intensità luminosa, dall’umidità

Le componenti all’interno dell’ecosistema formano una gerarchia, troviamo:

• Organismi: qualsiasi forma vivente, classificati in specie
• Popolazioni: insieme di individui della stessa specie che occupano una data area ed interagiscono tra loro
• Comunità: insieme delle popolazioni di diverse specie che vivono nella stessa area nello stesso tempo
• Ecosistemi: insieme di organismi che vivono in una data area e che interagiscono tra di loro e con l’ambiente abiotico
• Paesaggi: zone territoriali ampie contenenti differenti ecosistemi

Conseguenza dell’organizzazione è la fuoriuscita a ogni livello di proprietà peculiari di ogni livello di organizzazione, le proprietà emergenti. Non sono uguali alla somma delle proprietà dei livelli sottostanti, questo tipo di proprietà sono dette proprietà collettive.

Concetti di ecosistema

L’ecosistema non è altro che un sistema biologico, questo perché è attraversato da un flusso di energia che si origina con la fotosintesi, quindi può essere studiato attraverso le leggi della termodinamica. Un sistema dal punto di vista termodinamico può essere:

• Aperto: quando scambia materia ed energia con l’ambiente esterno
• Chiuso: quando scambia energia ma non materia con l’ambiente esterno (autosufficienti)

Le leggi della termodinamica sono due:

1. L’energia non può essere né creata né distrutta ma solo trasformata
2. Nessun processo che implichi trasformazioni energetiche può avvenire spontaneamente senza energia.

L’ecosistema è sempre un sistema aperto, quindi esso è caratterizzato da una stretta relazione tra le entrate (input: materiali che arrivano all’interno) e le uscite (output: materiali che dal sistema passano all’esterno).

• Se l’input è maggiore dell’output il sistema si accresce
• Se l’input è minore dell’output il sistema decresce
• Se l’input è uguale all’output il sistema è in uno stato stazionario (equilibrio che si automantiene)

La maggior parte degli ecosistemi sfrutta l’energia solare per mantenere basso il livello di entropia.

Diagramma funzionale dell’ecosistema

Notiamo che ogni ecosistema è caratterizzato da:

• Una comunità biotica
• Un flusso di energia
• Un ciclo della materia

La principale forma di energia è l’energia solare (negli ecosistemi naturali; negli ecosistemi antropici abbiamo anche una forma di energia ausiliaria, i combustibili fossili). Questa energia passa (fluisce) nel sistema e viene utilizzata dagli autotrofi, questi trasformano le molecole inorganiche in organiche. Gli eterotrofi utilizzano poi le sostanze sintetizzate dagli autotrofi come fonte alimentare. I resti organici vengono poi degradati di nuovo in molecole inorganiche dai saprofiti (decompositori).

Autotrofi ed eterotrofi

Autotrofi ed eterotrofi costituiscono la biomassa (sostanza organica vivente) del sistema, cioè la struttura biotica. La componente abiotica comprende: l’aria, l’acqua, le particelle sospese, le sostanze disciolte in acqua, il materiale organico morto (detto anche necromassa) che deriva da piante e animali ed è la principale fonte energetica dei decompositori. Capiamo quindi che è il flusso di energia a mantenere ed alimentare il ciclo della materia.

Omeostasi

Essendo un sistema sempre in attività, esso tende all’omeostasi. L’omeostasi è la capacità di mantenere condizioni costanti rispetto ad un ambiente esterno variabile. L’interazione dei cicli della materia e dei flussi di energia, insieme ai meccanismi di feedback (retrocontrollo) genera negli ecosistemi un’omeostasi che non richiede controllo o regolazioni esterne.

Esistono quindi meccanismi omeostatici, o meccanismi di controllo ed equilibrio, che tendono a ridurre l’ampiezza delle oscillazioni. Questi meccanismi si basano su:

• Feedback negativi
• Ridondanza dei componenti

Il feedback è di due tipi:

• Positivi: amplificano e accelerano i fenomeni. Parte delle uscite tornano indietro come entrate aumentando la deviazione. Fanno diventare un sistema instabile.
• Negativi: hanno effetto di regolatore, facendo stare il sistema in una condizione stazionaria. Parte delle uscite torna indietro come entrate neutralizzando la deviazione.

Stabilità degli ecosistemi

La stabilità degli ecosistemi è indicata da due valori:

• Resistenza: il non subire (resistere) al cambiamento
• Resilienza: il subire il cambiamento ma recuperare velocemente

Struttura trofica degli ecosistemi di Linderman

Divide l’ecosistema sulla base del livello trofico. Livello trofico: la situazione alimentare di un organismo in un ecosistema. Secondo Linderman abbiamo una divisione tra due strati:

• Strato superiore verde (autotrofi, foto- e chemio-): in cui predomina la trasformazione dell’energia luminosa in energia chimica, e di sostanze inorganiche in organiche
• Strato inferiore bruno (eterotrofi, erbivori, carnivori, saprotrofi): in cui predomina l’utilizzazione e la decomposizione di sostanze complesse

Questa separazione mette in relazione anche la disposizione spaziale degli organismi nello spazio. Questo tipo di organizzazione spaziale ha anche un riscontro temporale; infatti, gli eterotrofi utilizzano i prodotti degli autotrofi (quindi vi è sempre un ritardo degli eterotrofi che devono aspettare il prodotto degli autotrofi).

Separazione spaziale e temporale

• Separazione spaziale: il metabolismo autotrofo avviene nello strato superiore verde dove è disponibile energia solare, mentre il metabolismo eterotrofo avviene nella fascia inferiore bruna dove è disponibile la materia organica.
• Separazione temporale: c’è un ritardo nell’utilizzazione da parte degli eterotrofi dei prodotti degli organismi autotrofi.

Descrizione energetica dell'ecosistema

Ad ogni passaggio, una parte (spesso 80-90%) dell’energia potenziale è persa come calore. Una piccola parte dell’energia solare viene utilizzata dalla componente autotrofa. I produttori danno una parte ai decompositori, tramite necromassa. L’altra parte fruisce sotto forma di biomassa agli erbivori. L’altra parte viene dispersa nel processo di respirazione cellulare. Lo schema continua allo stesso modo ma con gradini sempre più piccoli per ogni passaggio preda-predatore.

Organismi che ottengono energia con lo stesso numero di passaggi a partire dal sole si dice che appartengono allo stesso livello trofico, cioè organismi che ricavano energia da una stessa fonte energetica. “Non vuol dire che mangiano la stessa cosa, vuol dire che hanno lo stesso numero di passaggi partendo dall’energia solare”.

Trofia

Trofia: cosa si mangia. All’interno dello stesso livello trofico abbiamo poi delle nicchie trofiche, in queste nicchie tutti gli organismi mangiano la stessa cosa.

Tutti gli organismi viventi, morti (necromassa) o vivi (biomassa), costituiscono potenziali fonti di cibo per altri organismi. (SIAMO TUTTI CIBO DI QUALCUN’ALTRO) La sequenza di organismi, ciascuno dei quali è una fonte di cibo per il successivo, è chiamata catena alimentare ed esprime il flusso di energia attraverso un ecosistema. L’energia fissata dalle piante è la base da cui dipende la vita sulla Terra; tale energia fluisce attraverso l’ecosistema mediante una serie di passaggi preda-predatore definiti catena alimentare.

Passaggi preda-predatore

• Carnivora: preda (organismo animale mobile che muore) - predatore (organismo che si ciba della preda)
• Erbivora: preda (organismo sessile che non muore) – predatore (organismo che si ciba della preda)

Tutte le relazioni all’interno della catena sono indicate come livello trofico. Mediamente ritroviamo non più di cinque livelli trofici.

Livelli trofici in ambiente terrestre

1. Tutti gli organismi che ricavano energia direttamente dal sole si dice che appartengono al 1° livello trofico. Tali organismi che ricavano energia dal sole sono gli autotrofi o produttori (le piante).
2. Tutti quegli organismi che utilizzano energia con due passaggi si dice che appartengono al 2° livello trofico. Nel 2° livello trofico sono collocati i consumatori primari o erbivori.
3. Tutti quegli organismi che utilizzano energia con tre passaggi si dice che appartengono al 3° livello trofico. In questo livello troviamo i consumatori secondari o carnivori primari.
4. Tutti quegli organismi che utilizzano energia con quattro passaggi si dice che appartengono al 4° livello trofico. In questo livello troviamo i consumatori terziari o carnivori secondari.

Livelli trofici in ambiente acquatico

1. 1° livello trofico: Fitoplancton o produttore
2. 2° livello trofico: Zooplancton o consumatore primario
3. 3° livello trofico: consumatore secondario
4. 4° livello trofico: consumatore terziario

Catene alimentari marine e terrestri possono essere connesse tra di loro in zone intermedie. Abbiamo parlato fino ad ora di catene alimentari, ma questo non è propriamente corretto. Uno stesso organismo può essere predato da più predatori o predatore di più prede. Quindi le catene alimentari si intersecano, questa intersezione prende il nome di rete alimentare.

Catene alimentari nell’ecosistema

In ogni ecosistema esistono due catene alimentari:

1. Catena alimentare del pascolo:
   • È di tipo epigeo cioè al di sopra del suolo (strato verde autotrofo)
   • La fonte di energia è rappresentata dalla biomassa vegetale viva
2. Catena alimentare del detrito:
   • È di tipo ipogeo cioè al di sotto del suolo (strato bruno eterotrofo)
   • La fonte di energia è rappresentata dalla necromassa e dai materiali di riciclo che derivano dalla catena del pascolo

Nella catena del detrito abbiamo dei piccoli loop detti loop microbici, questo perché il detrito non si consuma mai del tutto quindi una parte torna sempre come substrato; gli stessi organismi detritivori alla morte contribuiscono alla formazione del detrito (saprofagi morti costituiscono comunque la necromassa).

Descrizione energetica delle catene alimentari

Anche se le due catene sono spazialmente separate, l’energia è la stessa, quindi avrà uno sdoppiamento ad Y; questo mostra l’associazione energetica tra le due catene. Ma perché non ci sono più di 4-5 livelli energetici? Questo ci viene spiegato dal diagramma di flusso energetico. Nel passaggio tra un livello trofico e un altro abbiamo una diminuzione d’energia in ingresso. Se l’energia tende a 0 (diminuisce) i livelli trofici non possono esistere. La quantità di energia in tali diagrammi viene messa in evidenza dallo spessore delle frecce.

Come la benzina nella macchina, se non c’è, non cammina. Per descrivere graficamente la catena alimentare utilizziamo la piramide ecologica. Le piramidi ecologiche descrivono graficamente i livelli trofici dell’ecosistema o in termini di biomassa, di numero di individui o di energia fissata per unità di superficie e per unità di tempo. Avremo quindi tre tipologie di piramidi:

• Piramide di numero: rappresentata in relazione al numero di individui appartenenti a ogni livello trofico
• Piramide di biomassa: rappresentata in relazione alla quantità di biomassa, cioè il peso della materia organica presente in ogni livello trofico
• Piramide di energia: rappresentata in relazione alla quantità di energia che passa nei diversi livelli trofici (quel 10% che passa al livello trofico successivo nel diagramma di flusso di energia)

Il trasferimento non è mai al 100% efficiente per questo ci sarà sempre del calore dissipato. Per quelle di numero e biomassa possiamo avere l’inversione, questo perché quasi sempre i consumatori sono di più (numericamente) dei produttori. Questo è possibile perché i produttori hanno turnover maggiore rispetto a quello dei consumatori. Il tempo di turnover (turnover time) o rapporto produzione/biomassa indica il tempo in cui una unità di biomassa rinnova se stessa. Es. il plancton ha generazioni molto brevi quindi si riproduce molto velocemente, grazie a questo un numero minore di individui può sostenere un numero maggiore di consumatori.

Piramidi ecologiche e turnover

L’inversione può essere completa o parziale; quindi possiamo avere piramidi dritte, capovolte o parzialmente capovolte. Uno stesso sistema può presentare in relazione alla stagione piramidi ecologiche differenti. Quindi uno stesso sistema può avere una volta una piramide invertita, una volta una non invertita in funzione del periodo dell’anno in cui ci troviamo proprio perché il numero e la biomassa possono cambiare in funzione delle condizioni di temperatura, precipitazioni, l’H₂O nel caso dell’ambiente terrestre e delle condizioni di riciclo dei nutrienti a temperatura nel caso dell’ambiente acquatico.

Per quanto riguarda i decompositori essi vanno disegnati al lato della piramide ecologica dal primo all’ultimo livello trofico perché i decompositori utilizzano materia ed energia proveniente da ogni livello, sono infatti un livello trofico misto. Le piramidi di energia sono sempre dritte e MAI invertite, per il 2° principio della termodinamica. La piramide di energia tende a confrontare tra loro ecosistemi molto diversi poiché le piramidi di numero presentano un indice che sovrasta gli organismi di dimensioni piccola e la piramide di biomassa sovrasta gli organismi di dimensioni maggiori:

• Piramide di numero: organismi più piccoli e più numerosi
• Piramide di biomassa: organismi più grandi e meno numerosi
• Piramide di energia: confronta livelli trofici appartenenti ad ecosistemi diversi

Magnificazione biologica

È un’alterazione della catena alimentare. In una catena alimentare una serie di organismi costituiscono fonte trofica per altri organismi appartenenti ad un livello trofico più alto attraverso dei rapporti preda-predatore. Se in un sistema vi è un contaminante che passa dal livello trofico più basso a quello più alto della catena alimentare, questo fenomeno prende il nome di magnificazione biologica. I composti (inquinanti) soggetti al fenomeno sono:

• Metalli pesanti come piombo, cromo e mercurio
• Radionuclidi (composti radioattivi) come cesio e iodio
• Composti organici di sintesi come DDT e pesticidi

L’utilizzo di DDT negli ecosistemi agricoli, nelle coltivazioni ha avuto poi conseguenze sulle popolazioni di uccelli. Il DDT è un pesticida utilizzato in agricoltura e ha effetto sugli insetti. Quando ci sono precipitazioni, questo viene in parte portato via dalla pianta e arriva all’ecosistema acquatico più vicino. Qui vi è un accumulo lungo la catena alimentare degli organismi dell’ambiente acquatico, infatti il DDT si accumula prima nello zooplancton e poi nei pesci fino ad arrivare ai predatori dei pesci come aquile e gabbiani. Nei predatori dei pesci quindi si verifica una progressiva diminuzione di natalità della specie, poiché il DDT va a interferire con la calcificazione dei gusci delle uova degli uccelli. I gusci diventano più fragili e quindi è maggiore la mortalità delle uova. Ciò porta ad un forte decremento delle natalità delle specie; in alcuni casi ha portato anche all’estinzione dei predatori terminali dell’ecosistema.

Produttività primaria

La produttività di un ecosistema è la quantità di biomassa prodotta in un'area in un periodo, cioè la velocità con cui l’energia in ingresso, l’energia solare, viene trasformata in biomassa. La biomassa prodotta corrisponde alla velocità con cui avviene il processo di fotosintesi. Produttività primaria: è la quantità di nuova biomassa prodotta in una data area in un dato periodo di tempo, vale a dire la velocità alla quale l’energia raggiante viene trasformata in sostanze organiche attraverso la fotosintesi. La produttività primaria comprende:

• Produttività primaria lorda: totale quantità di energia convertita
• Produttività primaria netta: energia che rimane dopo il consumo da parte degli autotrofi