Appunti completi di ecologia

Ecologia

Studia l'economia della natura e le relazioni tra gli organismi e l'ambiente esterno che sia esso organico o inorganico. L'ecologia si divide in:

Autoecologia e sinecologia

Autoecologia: relazione tra organismo e ambiente.
Sinecologia: il modo in cui gli organismi formano popolazioni e comunità.

L'ecologia si occupa dei passaggi dell'organismo all'interno dell'ecosistema che è l'unità fondamentale dell'ecologia ed è il livello massimo di organizzazione biologica.

Ecosistema

Insieme di organismi che vanno ad interagire tra di loro e con l'ambiente.

Livelli di organizzazione biologica

• Organismo: qualsiasi forma vivente.
• Specie: interazione tra due organismi che formano una prole fertile.
• Popolazione: organismi della stessa specie che si trovano nello stesso luogo allo stesso tempo.
• Comunità: popolazioni diverse che si trovano nello stesso luogo allo stesso tempo.

Ogni livello può avere delle proprietà emergenti, caratteristiche emerse in un dato livello e non presente in quello precedente; e delle proprietà collettive, che sono la somma dei singoli componenti che formano le unità più grandi.

Funzionamento degli ecosistemi

Gli ecosistemi si comportano come sistemi fisici aperti, dove valgono sia il primo principio della termodinamica (conservazione dell'energia), che il secondo (entropia: dissipazione di energia sotto forma di calore).

Modello funzionale ecosistema

Il cerchio rappresenta l'energia solare; se il cerchio è uno, si parla solo di energia naturale. Se i cerchi sono più di uno, l'energia non deriva solo dal sole ma ad esempio dai combustibili fossili. Il proiettile (indicato con A) rappresenta i primi organismi che utilizzano l'energia solare: gli autotrofi, capaci di sintetizzare i propri nutrienti da soli, sono capaci di sintetizzare le molecole organiche di cui hanno bisogno partendo da sostanze inorganiche più semplici come CO₂. Gli esagoni invece sono gli eterotrofi (organismi non capaci di sintetizzare nutrienti da soli, non sono in grado di sintetizzare le molecole organiche ma le assumono tramite la nutrizione). Il cerchio con la punta rappresenta le riserve di energia che tramite un processo di feedback negativo possono tornare indietro all'energia originaria. Le linee continue sono i flussi di energia che entra come energia solare ed esce sotto forma di calore.

Organismi fotoautotrofi e chemioautotrofi

• Organismi fotoautotrofi: hanno come fonte di energia il sole, questi organismi catturano l'energia solare tramite la clorofilla per produrre l'energia necessaria per la fissazione di CO₂ in molecole organiche.
• Organismi chemioautotrofi: organismi che utilizzano l'energia chimica liberata dalle reazioni di ossido-riduzioni di composti inorganici per la formazione di composti organici come glucosio e altri nutrienti.

Batteri chemioautotrofi

• Nitrificanti: utilizzano l'ammoniaca come fonte di energia ossidandola e producendo nitrito o nitrato.
• Solfobatteri come Beggiatoa che ossida l'acido solforico in presenza di acqua e zolfo o i Thiobacillus che ossidano zolfo elementare formando acido solfirico.

Meccanismi di controllo degli ecosistemi

• Feedback positivo: parte dell'energia in uscita rientra andando ad aumentare le possibili deviazioni del sistema rendendolo instabile.
• Feedback negativo: parte dell'energia in uscita rientra andando a neutralizzare le possibili deviazioni del sistema rendendolo stabile.
• Rindondanza dei componenti: se in un sistema ci sono tre fattori con lo stesso processo, uno viene perturbato, ma gli altri due no, il sistema rimane stabile.
• Resistenza: del sistema ad una perturbazione.
• Resilienza: sistema non resiste ad una perturbazione ma subito recupera.

Esempio: foresta di conifere è resistente al fuoco ma poco resiliente, se incendiata recupera molto lentamente.

Componenti degli ecosistemi

• Abiotica: acqua, aria, temperatura, energia solare, pH. Sono composti che non hanno vita ma fanno parte dell'ambiente.
• Biotica: organismi viventi come piante e animali.
• Sostanze inorganiche: elementi come C, N, K, Na, Ca.
• Sostanze organiche: proteine, carboidrati, lipidi.
• Produttori: piante.
• Consumatori: erbivori e carnivori.
• Decompositori: funghi e batteri.

Struttura trofica degli ecosistemi

Strato superiore verde: (autotrofi) trasformazione di energia luminosa in energia chimica.
Strato inferiore bruno: (eterotrofi) decomposizione sostanze organiche.

Negli ecosistemi acquatici la componente autotrofa è il fitoplancton (alghe) che si trovano in superficie dove arriva la luce e si può effettuare la fotosintesi, la componente eterotrofa è lo zooplancton, che sono gli animali acquatici che si trovano nel suolo.

Catena trofica o alimentare

Sia la biomassa (organismi vivi) che la necromassa (organismi morti) sono fonte di energia per altri organismi. La catena trofica mostra i vari livelli di organizzazione alimentare tramite dei livelli trofici che raggruppano gli organismi che hanno la stessa fonte di energia. Solitamente i livelli trofici possono essere tre al massimo quattro e sono:

• Produttori: piante che utilizzano direttamente l'energia solare per nutrirsi.
• Consumatori primari: erbivori.
• Consumatori secondari: carnivori primari.
• Consumatori terziari: carnivori secondari.

Ai lati di ogni livello possiamo trovare i decompositori. Le catene trofiche possono essere rappresentate tramite le piramidi ecologiche che possono rappresentare: biomassa, numero di individui, energia.

Le piramidi possono anche essere capovolte perché potrebbe essere che il livello trofico più basso ha dimensioni minori rispetto al livello trofico più alto. L'unica piramide che non può mai essere capovolta è quella dell'energia in quanto ogni volta che si passa da un livello trofico inferiore a uno maggiore si perde circa l'80% dell'energia (che viene utilizzata nella catena del detrito, per la respirazione, l'accrescimento, la riproduzione, dissipata sotto forma di calore e solo il 10% va al livello superiore).

Catene di pascolo e del detrito

• Catena di pascolo: è epigea, avviene al di sopra del suolo, ed è fatta da produttori e consumatori che sono relazionati direttamente con l'energia solare.
• Catena del detrito: avviene nel suolo, è legata alla decomposizione quindi troviamo funghi e batteri decompositori che sono legati all'energia solare attraverso la necromassa vegetale.

Modello di flusso energetico a forma di Y

Produttività primaria

Quantità di nuova biomassa prodotta in una data area in un dato periodo di tempo. La velocità con cui l'energia solare viene trasformata in energia chimica. Può essere:

• Lorda (GPP): fotosintesi totale, senza considerare il consumo della respirazione.
• Netta (NPP): fotosintesi apparente, tasso effettivo di produzione di materiale vegetale disponibile per i livelli trofici successivi.

La produttività primaria è legata agli autotrofi e infatti rappresenta l'energia immagazzinata nel primo livello trofico. Possiamo avere anche una produttività secondaria che interessa gli eterotrofi e rappresenta l'energia immagazzinata dal secondo livello trofico in poi.

Ci sono diversi modi per misurare la biomassa.

• In ambiente acquatico: metodo acqua chiara e scura. Preleviamo un campione di fitoplancton e lo conserviamo in una bottiglia chiara, dove può arrivare la luce e di conseguenza può avvenire la fotosintesi, in questo modo andremo a misurare l'ossigeno che però deriva non solo dal processo della fotosintesi ma anche dalla respirazione. Nella bottiglia scura, invece, la fotosintesi non può avvenire, quindi andremo a misurare l'ossigeno che deriva solo dal processo di respirazione. L'ossigeno che deriva dalla bottiglia chiara è la produttività primaria netta che, sommato all'ossigeno della bottiglia scura, dà la produttività primaria lorda.
• In ambiente terrestre: si possono pesare le piante o misurare i cambiamenti della concentrazione dei reagenti e i prodotti come ossigeno e anidride carbonica intorno alla pianta o direttamente la clorofilla. La produttività primaria è influenzata dalla temperatura, all'aumentare della temperatura aumenta la fotosintesi e quindi la produzione di biomassa; ma è influenzata anche dalla latitudine, è maggiore all'equatore e diminuisce ai poli.

Efficienza ecologica

L'efficienza è il bilancio tra la quantità in entrata di un processo e la quantità in uscita. Quando parliamo di efficienza ecologica invece parliamo del rapporto percentuale tra i flussi energetici tra i differenti livelli trofici. Esistono tre tipi di efficienze ecologiche:

• Efficienza di consumo: è la quantità di biomassa del livello trofico inferiore consumata nel livello trofico superiore. La parte di biomassa consumata dal livello trofico superiore serve per l'accrescimento e la riproduzione e una parte verrà dissipata sotto forma di calore. La parte che non viene utilizzata invece, va nella catene del detrito e sarà utilizzata dai decompositori. EC= produzione vegetale ingerita / produzione vegetale totale x 100. L'efficienza di consumo varia per ogni sistema infatti dipende dalla biomassa, dal tipo di produttori, e dal numero di consumatori.
• Efficienza di assimilazione: A/C x 100 è la percentuale di energia che viene assimilata nella parete intestinale dell'organismo per poi essere utilizzata per accrescimento e riproduzione. Dipende dalla qualità del cibo e dalla capacità dell'organismo di digerirlo. EA erbivori: 40%/50% in quanto loro non riescono a scindere la cellulosa contenente negli alimenti vegetali, in particolare il legame β1-4 glicosidico. EA carnivori: 80%. EA decompositori: 100% in quanto loro sono dotati di particolari enzimi che scindono ogni composto.
• Efficienza di produzione: l'energia assimilata viene utilizzata per la produzione di nuova biomassa. Esiste un EP netta che nei produttori secondari è più piccola rispetto ai produttori primari e non supera mai il 40%, certe volte nemmeno il 10%. E poi esiste un'EP lorda che non supera mai il 30%. EP è legata alla fisiologia degli animali e quindi ai costi respiratori e al mantenimento termico. Gli omeotermi avranno un EP bassa in quanto spendono energia per regolare la temperatura corporea, mentre l'EP degli ectotermi può essere più alta.

La somma di tutte le efficienze ecologiche prende il nome di efficienza ecologica di Lindeman che corrisponde al 10% che passa dal livello trofico inferiore al livello trofico superiore.

Cicli biogeochimici

Bio = organismi
Geo = processi geologici
Chimici = reazioni chimiche

Gli elementi chimici circolano nell'ecosistema passando dalla fase inorganica a quella organica per poi ritornare a quella inorganica. Quindi avremo un movimento ciclico della materia che va da un compartimento (pool) di riserva (grande e abiotico) ad un pool di scambio o labile (piccolo e biotico). Questo movimento è anche chiamato ciclizzazione dei nutrienti. Possiamo distinguere:

• Ciclo esterno: gli elementi inorganici si spostano da un compartimento all'altro dell'ecosistema tramite processi fisici, chimici e biologici.
• Ciclo interno: gli elementi organici si spostano all'interno dell'ecosistema tramite processi di predazione, erbivori e decomposizione.

A livello di ecosistema è riconoscibile una struttura comune ai cicli dei singoli elementi: composti in entrata, ciclizzazione interna, composti in uscita.

Ciclo biogeochimico del carbonio

Il carbonio si trova:

• In atmosfera: anidride carbonica, metano, monossido di carbonio
• Nella litosfera: carbonati, depositi di petrolio, metano e carbone
• Nella biosfera: carbonio organico
• Nella idrosfera: anidride carbonica, acido carbonico, bicarbonato e carbonato

La CO₂ viene utilizzata durante la fotosintesi e la chemiosintesi. Gli atomi di carbonio sono quindi "organicati" nel glucosio, importante nella formazione di molecole strutturali (cellulosa, lignina). Il C così trasferito dall'atmosfera agli organismi vegetali rimane sequestrato nel materiale vegetale fino alla morte (decomposizione, combustione, mineralizzazione). Il C passa successivamente lungo la catena trofica attraverso:

• Respirazione
• Escrezione
• Incorporazione nella biomassa
• Decomposizione

Grazie a tutte le attività microbiche che abbiamo visto il carbonio si può smuovere da tutti i compartimenti. Quando parliamo di ciclo del carbonio distinguiamo:

• Ciclo geologico: mobilizzazione del carbonio immagazzinato nei combustibili fossili, nei sedimenti oceanici e nelle rocce della litosfera.
• Ciclo biologico: assorbimento e trasformazione da parte degli organismi viventi.

Tappe del ciclo del carbonio:

L'anidride carbonica presente nell'atmosfera è assorbita dagli organismi autotrofi, fotosintetici e chemiosintetici, che producono tutto il carbonio organico della biosfera. Le forme organiche del carbonio sono consumate dagli organismi eterotrofi con produzione di energia e CO₂, che è liberata nell'atmosfera dalla respirazione o dalle fermentazioni. Una parte del carbonio trasferito agli organismi autotrofi ed eterotrofi rimane immobilizzato per tempi più o meno lunghi nelle sostanze organiche degli organismi morti e nei rivestimenti rigidi esterni impregnati di carbonati di calcio di molluschi o di altri organismi e microrganismi (humus). La decomposizione dei residui animali e vegetali nel suolo e nei sedimenti porta il carbonio a due principali forme di ossidazione: metano (CH₄) e anidride carbonica (CO₂).

Metano e anidride carbonica derivano dall'attività dei metanogeni e dall'attività di diversi batteri chemioeterotrofi tramite i processi di fermentazione, respirazione anaerobica o respirazione aerobica (CO₂).

Ciclo del carbonio

Si riferisce a tutti i processi che sono relazionati al carbonio sia nella sua forma inorganica (CO₂) che nella sua forma organica (carboidrati). Il carbonio oltre ad essere il costituente fondamentale dei composti organici è coinvolto anche in numerosi processi come la fissazione dell'energia mediante la fotosintesi e la chemiosintesi; gli atomi di carbonio sono quindi organicati nel glucosio, importante nella formazione di molecole strutturali. Il carbonio viene trasferito dall'atmosfera agli organismi vegetali dove rimane fino alla morte, poi passa lungo la catena trofica tramite la respirazione, escrezione e decomposizione. Tutto questo tramite:

• Reazioni di ossidoriduzioni (redox)
• Assimilazione cioè le trasformazioni che fanno assumere forme biologiche agli elementi (fotosintesi)
• Disassimilazione che implica la trasformazione del composto organico in composto inorganico con la liberazione di energia (respirazione)
• Scambio fisico (diffusione) tra CO₂ atmosfera e oceani
• Dissoluzione e precipitazione di composti contenenti carbonato nei sedimenti

Carbonio e acqua

La CO₂ a contatto con l'acqua forma acido carbonico che si dissocia in ione carbonato che a sua volta perde un protone e diventa ione bicarbonato che reagisce con il calcio e forma bicarbonato di calcio. In ambiente marino, la presenza di organismi fotosintetici che usano la CO₂ spostano l'equilibrio verso la formazione e la precipitazione di bicarbonato di calcio. In ambiente marino vi sono degli organismi simbionte che sono delle simbiosi tra autotrofi ed eterotrofi, un esempio può essere il corallo che è una simbiosi tra polipo e alga. La formazione dell'isoscheletro dei coralli è dovuta proprio alla precipitazione di bicarbonato di calcio. Se la temperatura dell'acqua aumenta si ha il fenomeno dello sbiancamento dello scheletro e l'organismo esce dalla simbiosi morendo.

Organicazione

Trasformazione del carbonio dalla forma inorganica alla forma organica, avviene tramite due organismi: fotoautotrofi e chemoautotrofi. Entrambi gli organismi fissano la CO₂ e sono in grado di trasformarla in glucosio, ma i primi lo fanno attraverso i fotoni e i secondi attraverso l'energia chimica.

Metanogenesi

Processo che avviene in condizioni anaerobie, dove alcuni batteri utilizzano la CO₂ come accettore finale al posto dell'ossigeno e producono metano. Avviene in ambienti anossici come risai e paludi ma anche in alcuni erbivori come nel rumine del bovino. In condizioni anaerobiche (in assenza di ossigeno), alcuni microorganismi sono in grado di utilizzare l'anidride carbonica (CO₂ è l'accettore finale di elettroni) per produrre metano (CH₄). Il C viene ridotto (il numero di ossidazione passa da +4 a -4). Il metano viene prodotto in grandi quantità dai microorganismi che vivono nel tratto intestinale dei bovini e altri erbivori, nonché in paludi ed acquitrini (anossia). Comunità microbiche che utilizzano le molecole prodotte da altri microorganismi per il proprio sviluppo (metanolo, etanolo, lattato, H₂, acetato, acido butirrico, ecc.).

Alterazione ciclo del carbonio: effetto serra

La CO₂ è uno di quei gas che è in grado di assorbire calore, trattenerlo, per poi riemetterlo alla terra. Se si aumenta il numero...