Appunti dettagliati delle lezioni di Ecologia e didattica delle scienze naturali di Riccardo Santolini

Fonti di energia e carbonio negli organismi

Classificazione secondo le fonti di energia

Fototrofici (luce solare)
Chemiotrofici (energia da composti chimici)

Classificazione secondo le fonti di carbonio

Autotrofi
- Tutte le piante
- Tutte le alghe (es. Cianobatteri)
- Batteri Chemioautotrofi (es. Solfobatteri, Ferrobatteri, batteri denitrificanti, ecc.)

Eterotrofi
- Batteri purpurei e altri batteri fotoeterotrofi
- Tutti gli animali, Protozoi, Funghi
- La maggior parte dei batteri

A cosa serve l'energia negli organismi viventi

• Metabolismo basale e mantenimento
• Accrescimento
• Rinnovamento dei tessuti
• Evapotraspirazione (vegetali)
• Traspirazione (animali omeotermi)
• Locomozione e movimento
• Riproduzione

La radiazione solare

La diversa incidenza dei raggi solari in funzione della latitudine e dei cicli stagionali determina una diversa disponibilità di energia alla superficie della terra.

Produttività

La produttività primaria di un ecosistema o di una sua parte è la velocità di trasformazione fotosintetica dell'energia luminosa in energia di legame nelle molecole organiche, in altre parole è la quantità di sostanza organica prodotta nell'unità di tempo dagli organismi fotosintetici.

Produttività lorda è la quantità totale di S.O. prodotta.
Produttività netta è la quantità di S.O. prodotta meno quella consumata per respirazione.
Produttività netta della comunità è la quantità di S.O. prodotta in un ecosistema meno quella consumata per respirazione, includendo il consumo degli organismi eterotrofi.
Produttività secondaria è la velocità di trasferimento dell'energia a livello dei consumatori, cioè la quantità di S.O. di organismi eterotrofi prodotta in un ecosistema nell'unità di tempo.
Biomassa stabile è la quantità di materia vivente presente in un ecosistema in un determinato momento.

Efficienza e produzione

Produzione primaria lorda → Respirazione ed escrezione
Efficienza di produzione netta (Rapporto tra PN/PL)
Produzione primaria netta Efficienza di sfruttamento (Rapporto tra PPN e ciò che viene assunto al livello trofico)
Assunzione → Rifiuti non assimilati Efficienza di assimilazione (Rapporto tra ciò che viene assunto e ciò che viene assimilato)

Produzione secondaria lorda (Assimilazione) → Respirazione ed escrezione
Produzione secondaria netta Efficienza ecologica (Rapporto tra la PL di un livello trofico e la PL del livello trofico successivo)

Cosa controlla la produttività primaria

• Energia
• Fattori climatici e condizioni ambientali
• Disponibilità di sostanze nutrienti
• Consumo

Temperature elevate aumentano la produttività lorda ma incrementano anche metabolismo e respirazione. Il rapporto tra produttività netta e produttività lorda della vegetazione naturale varia con la latitudine. All'equatore, la produttività netta è meno del 50% della produttività lorda.

I principali fattori che limitano la produttività primaria:

In ambiente terrestre: Acqua, Nutrienti nel suolo (escluso C), CO₂, Luce
In ambiente acquatico: Luce, Nutrienti (escluso C), CO₂

L'abbondanza di nutrienti nelle acque costiere determina produttività elevata in superficie, ma la maggior trasparenza in mare aperto rende possibile la fotosintesi, e quindi la produttività primaria, a profondità molto maggiori.

Catena alimentare o catena trofica

Sistema di trasferimento di energia dagli organismi autotrofi (produttori) agli organismi eterotrofi (consumatori e decompositori)

• Catena del pascolo: nutrienti inorganici → piante → erbivori → carnivori
• Catena del detrito: sostanza organica → microorganismi → detritivori → predatori

Livello trofico

Caratterizza il numero di passaggi effettuati dall'energia (sotto forma di luce o cibo) a partire dall'energia solare:

• I livello: organismi fotosintetici produttori
• II livello: erbivori consumatori primari
• III livello: carnivori consumatori secondari
• IV livello: carnivori secondari consumatori terziari
• ... livello del batteri decompositori e organismi detritivori

Produttività secondaria

Di norma la maggior parte dell'energia derivante dalla produzione primaria non viene consumata dai consumatori erbivori ma passa ai decompositori.

Importanza della catena del detrito

In molti importanti ecosistemi la produttività primaria è scarsa o nulla (Es.: zona afotica dei laghi e dei mari). In questi casi l'intera comunità biologica è sostenuta dalla catena del detrito.

La lunghezza delle catene trofiche

Le catene trofiche sono generalmente brevi: superano raramente 5-6 livelli. Motivi:

• Ad ogni passaggio si ha una grande perdita energetica (indicativamente 90%). Al 6º livello l'energia residua è lo 0.001% di quella iniziale.
• Lunghe catene possono comportare ampie fluttuazioni delle popolazioni. Aumenta il rischio di estinzione dei livelli superiori.
• Agli alti livelli trofici aumenta l'esigenza di spazio vitale (home range). I predatori necessitano di ampi territori.

Reti trofiche e piramidi ecologiche

Sono una rappresentazione grafica della struttura della comunità biologica in un determinato ecosistema. Possono essere costruite su diversi parametri caratteristici della comunità: numero di individui, biomassa, produttività. L'area di ciascun rettangolo è proporzionale alle dimensioni del livello trofico corrispondente.

Energia sussidiaria

Risorsa energetica che abbassa il costo di auto-mantenimento del sistema:

• Riduzione dell'energia necessaria per il mantenimento
• Riduzione della respirazione e dei consumi
• Aumento della produzione netta

Un sistema maturo è bilanciato. La produzione netta del sistema tende a 0. L'apporto di energia sussidiaria sposta lo stato stazionario del sistema verso livelli di produzione netta più alti.

Esempi di energia sussidiaria

• Flussi artificiali di energia in agricoltura (irrigazione, concimazione, lavorazione del terreno, pesticidi, ecc.)
• Apporti esterni di energia in sistemi naturali: maree in ambienti estuariali e costieri

Ecologia e didattica delle scienze naturali

Interazioni: competizione intra ed interspecifica, coesistenza; parassitismo, mutualismo.
Sistemi preda-predatore: tipologia e natura; dieta, spettro trofico, comportamento alimentare, erbivoria, decompositori e detritivori; foraggiamento ottimale.

Meccanismi di controllo sulla crescita della popolazione

• Variazioni ambientali
• Risorse limitate
• Competizione
• Selezione naturale
• Self-regulation

Il tasso di crescita rallenta proporzionalmente all'aumento degli individui di una popolazione.

Interazioni

Tra tutti gli organismi, sia della stessa specie, che di specie diverse, si instaura una rete complessa di relazioni che caratterizza la vita delle popolazioni e ne rende possibile la permanenza in quel determinato ambiente (RELAZIONI SIMBIOTICHE più o meno strette).

Le interazioni tra organismi possono essere definite positive, negative o indifferenti; in genere questi aspetti dell'interazione vengono indicati rispettivamente da tre simboli: +; -; 0.

• Vantaggiosa per entrambe (+/+)
• Vantaggiosa per una sola (+/- o +/0)
• Svantaggiosa per entrambe (-/-)

Competizione

Definizione: -/-
Interazione tra individui per l'utilizzo di una limitata risorsa che porta ad una riduzione della probabilità di sopravvivenza, crescita e riproduzione di almeno uno degli individui in competizione: una tende ad avere il sopravvento sull'altra.

È l'interazione che si realizza tra organismi che sfruttano le stesse risorse, spesso presenti in quantità limitate:

• Intraspecifica: all'interno di una stessa specie per spazio, substrato, cibo, partner, ecc.
• Interspecifica: tra specie diverse per risorse, luce, luoghi di nidificazione, ecc.

La competizione tra organismi è tanto intensa quanto più essi sono simili, per esigenze o stili di vita. Le interazioni competitive riguardano spazio, nutrienti, acqua, luce e prede. La competizione può produrre una regolazione dell'equilibrio tra due popolazioni o una differenziazione delle loro attività giornaliere o stagionali; se una popolazione è decisamente più forte, può arrivare all'eliminazione dell'altra, o a costringerla ad usare un'altra zona o ad usare altro cibo. Specie diffuse in uno stesso ambiente e che occupano la stessa nicchia ecologica o nicchie simili possono entrare in competizione per il cibo (competizione per cause edafiche), per lo spazio, per la luce (piante), per la disponibilità di acqua (competizione radicale nelle piante).

Competizione per la luce: migliore intercettazione: epoca di emergenza, velocità di crescita, LAI, architettura della pianta. Maggiore assorbimento: spessore del mesofillo fogliare, superficie foglie. Maggiore utilizzazione: contenuto in clorofilla ed altri pigmenti, fissazione della CO₂.

Competizione per l'acqua: Maggiore attingimento: velocità di crescita e profondità radici. Migliore utilizzazione, Maggiore risparmio: peli, cere fogliari, regolazione stomi, organi per l'immagazzinamento idrico, spessore del mesofillo fogliare, superficie foglie. Maggiore tolleranza agli stress: tolleranza citoplasmatica al disseccamento.

Competizione per gli elementi nutritivi: Maggiore assorbimento: velocità di crescita, profondità delle radici, micorrize. Migliore utilizzazione: tolleranza a carenze ed eccessi di elementi nel terreno.

Influenza della competizione sulle popolazioni

• La competizione per le risorse e lo spazio è alla base della evoluzione biologica (la lotta per la sopravvivenza).
• Tasso di natalità, di mortalità, i movimenti sono regolati dalla competizione.
• Gli individui di una popolazione che non hanno risorse sufficienti aumentano il tasso di mortalità, diminuiscono la natalità, tendono a spostarsi (se possono).
• Non è possibile comprendere la dinamica di una popolazione senza comprendere i ruoli della competizione.
• Un aspetto rilevante in questi temi è l'effetto della densità: al crescere della densità si osserva un aumento della mortalità (modello densità-dipendente), l'aumento di densità ha effetto sulla competizione per le risorse.

Meccanismi di competizione

Competizione per sfruttamento (o indiretta): Non c'è contatto diretto tra gli organismi che competono e la competizione è mediata dalla risorsa.