Appunti di Ecologia con laboratorio

ECOLOGIA

L'ecologia è definita come la scienza che studia le interazioni tra gli organismi ed il

loro ambiente. L'ecologia è una branca della biologia mentre le scienze ambientali

sono frutto di una interdisciplinarità tra le scienze naturali e le scienze sociali.

Rispetto all'ecologia le scienze ambientali si concentrano in particolare su come

l'uomo influenza l'ambiente e in che modo si possono affrontare i problemi

ambientali. I sistemi naturali non necessariamente ritornano al loro stato originale

dopo un disturbo e che le perturbazioni apparentemente casuali svolgono spesso un

ruolo importante in natura. Una popolazione è un gruppo di individui della stessa

specie che vivono in una particolare area geografica e interagiscono tra loro. Una

comunità è l'insieme di più popolazioni appartenenti a specie diverse che vivono

nella stessa area. Le comunità possono coprire grandi o piccole aree e possono

differire notevolmente in termini di numeri e tipi di specie trovate al loro interno. Gli

studi ecologici a livello di popolazione e di comunità spesso esaminano non solo gli

effetti della componente biotica sul sistema naturale ma anche quelli della

componente abiotica o fisica ambientale. difatti le caratteristiche dell'ambiente

abiotico come: temperatura, precipitazioni, nutrienti possono influenzare la fertilità

degli individui o le abbondanze relative delle diverse specie trovate in una comunità.

Altri ecologi sono particolarmente interessati a come gli ecosistemi operano; un

ecosistema è una comunità di organismi più l'ambiente fisico in cui essa vive. Di

fronte a zone territoriali più grandi gli ecologi studiano i paesaggi che sono aree che

variano notevolmente da un luogo ad un altro generalmente includenti diversi

ecosistemi; infine, i modelli di circolazione globale dell'aria e dell'acqua collegano gli

ecosistemi di tutto il mondo nella biosfera che è costituita da tutti gli organismi

viventi della terra e gli ambienti in cui essi vivono. L'ambiente fisico è il principale

fattore determinante del luogo in cui gli organismi possono vivere delle risorse che

essi hanno a disposizione e del tasso a cui le loro popolazioni possono crescere;

perciò, la conoscenza dell'ambiente fisico è la chiave per comprendere tutti i

fenomeni ecologici. L'ambiente fisico include il clima che è costituito dagli

andamenti a lungo termine di temperatura vento e precipitazioni. La radiazione solare

è fondamentalmente il motore del sistema climatico ma anche della produzione di

energia da parte dei sistemi biologici. Un altro aspetto dell'ambiente fisico è la

composizione chimica di aria ed acqua che include: salinità, acidità, concentrazione

di gas in atmosfera e disciolti in acqua. Il suolo è una componente importante

dell'ambiente fisico perché un mezzo in cui vivono microrganismi piante e animali.

Inoltre, il suolo influenza la disponibilità di risorse critiche, in particolare acqua e

nutrienti. Il clima è la descrizione a lungo termine del tempo in un determinato luogo

sulla base di medie e variazioni misurate nell'arco di decenni. La variazione del clima

include i cicli giornalieri e stagionali associati ai cambiamenti della radiazione solare

che avvengono in conseguenza del movimento di rotazione della terra attorno al

proprio asse e della sua orbita attorno al sole. Il luogo in cui gli organismi vivono, la

loro distribuzione geografica e il loro funzionamento sono determinati dal clima. la

temperatura determina la velocità delle reazioni biochimiche e delle attività

fisiologiche di tutti gli organismi. Gli organismi che vivono nelle acque dolci

dipendono dalle precipitazioni per il mantenimento e la qualità del loro habitat. Gli

organismi marini dipendono dalle correnti oceaniche che influenzano la temperatura e

la chimica delle acque in cui vivono. La stagionalità delle piogge è importante nel

determinare la disponibilità idrica per gli organismi terrestri. Il Clima influenza le

velocità dei processi abiotici che influenzano a loro volta gli organismi, può inoltre

influenzare i tassi di disturbo periodici come: incendi inondazioni e valanghe.

L'energia che guida il sistema climatico globale è in definitiva derivata dalla

radiazione solare. In media la superficie dell'atmosfera terrestre riceve 342 watt di

radiazione solare per metro quadro all'anno circa un terzo di questa radiazione solare

è riflessa verso l'esterno dell'atmosfera dalle nubi e dalla stessa superficie terrestre;

Un altro quinto della radiazione solare incidente è assorbita dall'ozono dalle nubi e

dal vapore acqueo nell'atmosfera. La restante metà è assorbita dal suolo e dall'acqua

sulla superficie terrestre affinché la temperatura della terra rimanga costante questi

guadagni di energia provenienti dalla radiazione solare devono essere bilanciati dalle

perdite di energia, gran parte della radiazione solare assorbita dalla superficie

terrestre viene rimessa nell'atmosfera come radiazione infrarossa. Quando l'acqua

raffredda a punto tale da formare ghiaccio aumenta la salinità della rimanente acqua

non ghiacciata, questa combinazione di raffreddamento e aumento di salinità aumenta

la densità dell'acqua che scende negli strati più profondi, le dense correnti di

sprofondamento o downwelling che ne risultano si spostano verso l'equatore portando

con sé acqua polare fredda verso i mari tropicali più caldi. Queste correnti oceaniche

profonde si connettono nuovamente con le correnti superficiali nelle zone di risalita o

upwelling dove le acque marine profonde risalgono verso la superficie. L’upwelling

ha importanti conseguenze per il clima locale creando un ambiente più fresco e

umido; ha inoltre un considerevole effetto sull'attività biologica delle acque

superficiali quando gli organismi delle acque superficiali muoiono i loro corpi e i

nutrienti in essi contenuti sprofondano perciò i nutrienti tendono ad accumularsi nelle

acque profonde e nei sedimenti. Queste correnti di risalita riportano questi nutrienti

nella zona fotica, lo strato di acqua superficiale dove c'è sufficiente luce per il

processo di fotosintesi. Le zone di risalita sono tra ecosistemi più produttivi del mare

aperto poiché questi nutrienti aumentano la crescita del fitoplancton. L'effetto

dell'ombra pluviometrica afferma che le precipitazioni tendono a essere maggiori sul

versante di una montagna esposto a venti prevalenti piuttosto che sul versante

sottovento, la vegetazione sui versanti esposti ai venti prevalenti è molto più

sviluppata che sul versante sottovento dove l'area asciutta discende, si riscalda e le

precipitazioni sono scarse. Una popolazione è un gruppo di individui della stessa

specie che vivono in una particolare area e interagiscono l'uno con l'altro. Le specie

che si riproducono sessualmente una popolazione potrebbe essere definita come il

gruppo di individui che interagiscono mediante incroci o tramite fecondazione. Nelle

specie che si riproducono asessualmente una popolazione deve essere definita da altri

tipi di interazioni come la competizione per risorse alimentari. Una popolazione

integra anche l'area dove i membri di una specie interagiscono. Un habitat include le

componenti abiotiche e biotiche che consentono la sopravvivenza degli organismi,

descrive un luogo fisico in cui un organismo vive effettivamente o potenzialmente.

Per quanto bene gli individui sopravvivono o si riproducano, piccole differenze tra gli

ambienti possono far si che l'abbondanza di una specie sia alta in certi ambienti è

bassa in altri. L'abbondanza di una specie dovrebbe essere influenzata fortemente

dalla presenza di habitat idonei. Oltre all'ambiente abiotico anche l’ambiente biotico

ha importanti effetti sulla distribuzione e sulla abbondanza delle specie; ovviamente

le specie che dipendono completamente da una o poche altre specie per la loro

crescita, riproduzione o sopravvivenza non possono vivere dove le specie di cui sono

dipendenti sono assenti. Gli organismi possono essere esclusi da un'area ad opera di:

erbivori, predatori, competitori, parassiti o patogeni

possono fortemente ridurre la sopravvivenza o la riproduzione dei membri di una

popolazione. In molti casi le caratteristiche abiotiche e biotiche dell'ambiente

agiscono insieme per determinare la distribuzione e l'abbondanza di una specie. le

distribuzioni di alcuni organismi dipendono da forme regolari di disturbo. Un

disturbo è un evento abiotico che uccide o danneggia alcuni individui e quindi

permette ad altri di crescere e riprodursi. La limitata capacità di dispersione di una

specie può impedirle di raggiungere delle aree di habitat idoneo, fenomeno noto come

limitazione alla dispersione; quando individui si spostano da una popolazione all'altra

la densità della popolazione che lasciano diminuisce e incrementa quella della

popolazione a cui si uniscono, la dispersione può anche essere influenzata dalla

densità della popolazione. Molti organismi alterano i loro tassi di dispersione in

risposta alle condizioni che influenzano la sopravvivenza e la riproduzione, come

aumenti nell'abbondanza di predatori o competitori o i decrementi della qualità

dell'habitat o della disponibilità di partner. Un’Areale geografico di una specie è

l'intera regione geografica in cui è presente la specie; esso include le aree che occupa

una specie durante tutti gli stadi del suo ciclo vitale. in alcuni casi i membri di una

popolazione hanno una distribuzione regolare, ossia gli individui sono disposti in

maniera relativamente uniforme all'interno dell'habitat; in altri casi gli individui

mostrano una distribuzione casuale come quella che si dovrebbe osservare nel caso

in cui si selezionasse le aree a caso; infine, gli individui possono aggregarsi per

formare una distribuzione raggruppata. Nelle popolazioni naturali la distribuzione

raggruppata è più frequente delle altre due. Una varietà di processi può influenzare la

dispersione regolare casuale o raggruppata degli individui. La distribuzione spaziale

degli individui all'interno di una popolazione dovrebbe coincidere con la

distribuzione spaziale delle condizioni idonee alla crescita. Le interazioni tra i singoli

individui influenzano anche i modelli di distribuzione e possono respingersi l'un

l'altro o attrarsi. Il termine ecosistema fa riferimento a tutte le componenti di un

sistema ecologico biotiche e abiotiche che influenzano il flusso di energia ed

elementi, gli elementi presi in considerazione negli studi ecosistemici sono

principalmente i nutrienti ma includono anche sostanze inquinanti. L'energia chimica

generata dagli autotrofi nota come produzione primaria deriva dalla fissazione del

carbonio durante la fotosintesi e la chemiosintesi. La produzione primaria rappresenta

un'importante trasformazione energetica: la conversione dell'energia luminosa

proveniente dal sole e l’energia chimica che viene utilizzata dagli autotrofi è

consumata dagli eterotrofi. La produzione primaria è la fonte di energia per tutti gli

organismi dai batteri all'uomo, essa comporta un elevato trasferimento di anidride

carbonica tra l'atmosfera e la terra ed esercita una notevole influenza sul clima

globale. La produzione primaria netta è limitata dai fattori ambientali sia fisici che

biotici. L'energia che deriva dal consumo dei composti organici prodotti da altri

organismi è nota come produzione secondaria. gli organismi che ottengono la loro

energia in questo modo sono gli eterotrofi comprendono: archeobatteri, batteri,

funghi, animali e anche alcune piante.

Sono classificati in base al tipo di cibo che consumano, le categorie più comuni sono

gli erbivori che consumano piante e alghe; i carnivori che consumano animali vivi; i

detritivori che consumano materia organica morta; gli onnivori consumano materia

organica viva. I ruoli ecologici sono determinati dalle loro prede e dai loro predatori,

cioè dalle interazioni alimentari o trofiche. l'influenza che un organismo ha sul

trasferimento di energia e nutrienti che avviene in un ecosistema è determinata dal

tipo di alimento che consuma e allo stesso tempo dai suoi predatori. Ciascuna

categoria trofica o livello trofico si basa sul numero di passaggi che la separano dagli

autotrofi. il primo livello trofico è occupato dagli autotrofi cioè i produttori primari,

il primo livello è anche quello che genera la maggior parte della materia organica

morta all'interno di un ecosistema. Il secondo livello trofico è occupato dagli erbivori

che consumano la biomassa autotrofo così come dai detritivori che consumano la

materia organica morta. I livelli trofici superiori includono i carnivori che predano

organismi animali presenti nel livello trofico precedente. La maggior parte degli

ecosistemi non ha più di quattro livelli. Alcuni organismi non possono essere inclusi

in maniera netta nei livelli trofici descritti difatti gli onnivori si alimentano su più

livelli trofici e non risultano classificabili nelle categorie trofiche elementari. Tutti gli

organismi presenti in un ecosistema o fungono da prede per i predatori dei livelli

trofici su categorie superiori fan parte del pool della materia organica morta o detrito.

Nella maggior parte degli ecosistemi terrestri solo una proporzione relativamente

piccola della biomassa disponibile viene consumata e il trasferimento di energia si

realizza soprattutto attraverso il detrito. La materia organica morta di origine

vegetale, animale e microbica è consumata da una moltitudine di organismi definiti

detritivori in un processo noto come decomposizione. Il trasferimento di energia

attraverso il detrito è importante sia nei sistemi terrestri che in quelli acquatici. Gli

input di energia provenienti da ecosistemi esterni vengono definiti input alloctoni,

mentre l'energia prodotta dagli autotrofi interni all'ecosistema viene definita energia

autoctona. gli input alloctoni negli ecosistemi acquatici includono il detrito di piante

terrestri e materia organica disciolta. Questi input raggiungono l'ambiente acquatico

direttamente o attraverso flussi di acque sotterranee. I livelli trofici si organizzano a

formare una piramide trofica che rappresenta graficamente la quantità di energia o

biomassa relativa per ciascun livello trofico e fornisce informazioni su come l'energia

fluisce all'interno dell'ecosistema. Una parte della biomassa di ogni livello trofico non

viene consumata, pertanto una quota dell'energia presente in ciascun livello trofico

viene persa nel trasferimento al livello trofico successivo, di conseguenza la

dimensione dei rettangoli in una piramide trofica di energia si riduce sempre

spostandosi da un livello trofico al successivo. negli ecosistemi terrestri le piramidi di

energia e biomassa sono simili perché la biomassa è strettamente collegata alla

produzione di energia. Negli ecosistemi acquatici gli elevati tassi di consumo e i cicli

vitali generalmente brevi dei produttori primari fanno sì che la piramide di biomassa

possa essere invertita rispetto a quella dell'energia. Il trasferimento di energia tra i

livelli trofici utilizza il concetto di efficienza energetica definita come la quantità di

energia in uscita per unità di energia in entrata. L'efficienza trofica è definita come

la quantità di energia presente in un livello trofico diviso per l'energia presente nel

livello trofico immediatamente precedente. L'efficienza trofica tiene conto della

proporzione di energia disponibile che viene consumata della proporzione del cibo

ingerito che viene effettivamente assimilato dal consumatore. La proporzione di

biomassa disponibile che viene ingerita rappresenta l'efficienza di consumo, è

maggiore negli ecosistemi acquatici che in quelli terrestri. L'efficienza di consumo

tende a essere più elevata per i carnivori che per gli erbivori. Una volta che la

biomassa è ingerita dal consumatore essa deve essere assimilata attraverso l'apparato

digerente prima che l'energia in esso contenuta possa essere utilizzata. per produrre

nuova biomassa la percentuale di cibo ingerito che viene assimilato rappresenta

l'efficienza di assimilazione il cibo ingerito ma non assimilato viene eliminato

nell'ambiente sotto forma di feci allora farà parte del pool del detrito. La qualità del

cibo disponibile per gli erbivori e i detritivori e solitamente minore di quella del cibo

per i carnivori, piante e detriti non sono facilmente digeribili e hanno basse

concentrazioni di nutrienti. La capacità digestiva dei consumatori è collegata alla loro

fisiologia, e in base alla loro termoregolazione: endotermici tendono a digerire il cibo

in maniera più completa rispetto agli ectodermici e presentano efficienti di

assimilazione più elevate. Il cibo assimilato può essere utilizzato dal consumatore per

produrre nuova biomassa sia in forma di aumento della massa corporea che di

produzione di progenie. una parte del cibo assimilato deve essere necessariamente

utilizzato per la costruzione di nuova biomassa, per la respirazione associata ai

processi di mantenimento. La percentuale di cibo assimilato al consumatore utilizzata

per produrre nuova biomassa costituisce l'efficienza di produzione è strettamente

collegata alla fisiologia della termoregolazione e alle dimensioni del consumatore. Le

variazioni nella quantità, nella qualità di cibo e i conseguenti effetti sull'efficienza

trofica possono determinare l'ammontare delle popolazioni dei consumatori che

risulta sostenibile per un ecosistema ma possono anche influenzare lo stato di salute

dei singoli individui. I legami trofici tra le specie possono essere descritti attraverso

una rete trofica, cioè una rappresent