Appunti di Ecologia

Ecologia

L'ecologia deriva da oikos (casa) e logos (studio), ed è definita come lo studio scientifico dell’ambiente naturale e delle correlazioni tra gli organismi e l’ambiente in cui essi vivono. Gli organismi interagiscono con l’ambiente nel contesto dell’ecosistema, formato da una componente biotica (vivente) e quella abiotica (fisica e chimica).

Passi fondamentali dell'ecologia

• Ecologia come scienza autonoma: inizi del ‘900
• Esplosione del movimento ambientalista: 1968-70
• Preoccupazioni della popolazione (crescita, disponibilità di cibo…): anni ‘70
• Problematiche ambientali nelle questioni politiche: negli anni 80-90 vennero promulgate le prime leggi ambientali inizialmente negli Stati Uniti. La California è lo stato più all’avanguardia dal punto di vista ecologico, infatti in 10 anni ha risolto il problema dello smog ossidante introducendo leggi molto ferree.

L’ecologia si interessa prevalentemente dei livelli superiori a quelli del singolo individuo: popolazione, comunità, ecosistema, paesaggio, bioma, ecosfera.

• Popolazione: gruppo di individui appartenenti ad una specie.
• Comunità: tutte le popolazioni che occupano una certa area.
• Ecosistema: costituito dalla comunità biotica e dalle componenti abiotiche (ambiente fisico).
• Paesaggio: area territoriale eterogenea, composta da un insieme di ecosistemi che interagiscono tra loro e che si ripetono in una configurazione caratteristica.
• Bioma: unità regionale estesa su scala regionale/sub-continentale aventi un tipo di vegetazione comune o altri aspetti identificativi del paesaggio.
• Ecosfera: include tutti gli esseri viventi che interagiscono con l’ambiente fisico per formare un’unica entità.

Ognuno di questi livelli di organizzazione si suddivide in:

• Flusso di energia: ritmo con cui l’energia e i nutrienti si trasformano in tessuti viventi e viceversa.
• Evoluzione
• Sviluppo
• Regolazione
• Comportamento
• Diversità
• Integrazione

Gli ecosistemi

Ecosistema: qualsiasi unità che comprende tutti gli organismi di una data area interagenti con l’ambiente fisico, in modo tale che un flusso di energia porti a strutture biotiche ben definite e ad un riciclo di materia tra componenti biotiche e abiotiche (definizione data da Arthur Tansley nel 1935). L’ecosistema è un’unità sistematica funzionale con un ingresso (INPUT) e un’uscita (OUTPUT) e confini che possono essere naturali o arbitrari.

L’ampiezza di input e output varia a seconda di:

• Dimensioni del sistema (più è grande, meno dipende dal sistema)
• Intensità metabolica (più è alta, più sono maggiori input e output)
• Equilibrio autotrofia-eterotrofia (maggiore è lo squilibrio, maggiori sono le richieste esterne). Se c’è uno scompenso tra i due, ci sono più problemi.
• Stadio di sviluppo (più l’ecosistema è maturo, più ci sarà equilibrio e stabilità e quindi non ci sarà bisogno di molta energia).

Stadio di climax: stadio finale di maturità di un ecosistema.

Componenti fondamentali in un ecosistema

• Flusso di energia (a senso unico): è unidirezionale, e l’energia solare viene trasformata in energia chimica, che poi si dissipa sotto forma di calore.
• Comunità: autotrofi/eterotrofi
• Ciclo della materia: la materia può essere riutilizzata.

La struttura trofica di un ecosistema è divisa in due:

• Fascia verde: fascia principalmente composta da autotrofi
• Fascia bruna: fascia composta da eterotrofi e organismi decompositori

Sono due fasce molto interconnesse tra di loro dal punto di vista metabolico, poiché si scambiano materia ed energia anche se sono separate nello spazio e nel tempo. Sia autotrofi che eterotrofi producono lettiera e suolo (legno, foglie, semi, radici) e possono passare anche millenni prima che tutta la materia organica che si accumula venga degradata. Solo nella foresta pluviale il consumo della materia organica si ricambia molto velocemente, nell’arco di sei mesi.

Biosfera e gradienti

La biosfera è caratterizzata da una serie di GRADIENTI di fattori fisici (es. gradienti di temperatura dai poli all’equatore…), e c’è un’alternanza di organismi che vivono in alcuni luoghi in base ai vari gradienti fisici. La comunità vegetale è più distinta a seconda di questi gradienti, mentre gli animali riescono più facilmente ad adattarsi a tutti i territori.

Non sempre abbiamo dei gradienti, ma delle differenze nette tra territori, dette ecotoni (= punti di brusco cambiamento, con proprietà e specie esclusive). Gli ecotoni possono essere popolati da più specie di quelle ritrovate nelle comunità confinanti (effetto margine). Un margine netto o un margine esteso in un paesaggio modificato e frammentato generalmente tende a ridurre la biodiversità, perdendo così negli anni molte specie animali e vegetali: l’uomo ha creato molti margini netti con disboscamenti, latifondi.

Un esempio di ecotono è il brusco cambiamento che c’è tra spiaggia e mare.

Metodi di studio di un ecosistema

Ci sono due metodi di studio di un ecosistema:

• Approccio olistico: vengono misurate le entrate e le uscite, oltre alle proprietà collettive ed emergenti e, se necessario, anche le diverse parti componenti.
• Approccio meristico: le parti principali sono studiate e poi integrate in un sistema completo.

Quando le parti componenti sono associate fortemente, le proprietà emergenti si riveleranno solo a livello dell’ecosistema intero, per questi si perde con un approccio meristico. Inoltre, un organismo può comportarsi in modo differente in sistemi differenti, perciò si perde anche con un approccio olistico. Ora infatti si usano metodologie TOP-DOWN e BOTTOM-UP che conciliano sia la visione olistica che quella meristica.

Ipotesi Gaia

È un’ipotesi formulata da James Lovelock nel 1979, che dice che la vita sulla Terra è dovuta ai primi organismi che hanno iniziato a modificare l’ambiente in base alle loro necessità. Infatti, la rete di microrganismi della fascia bruna è un sistema di controllo cibernetico che mantiene l’equilibrio omeostatico sulla Terra.

Le conferme di questa teoria le riscontriamo con l’ossigeno dell’aria e l’azoto nel mare che sono prodotti e controllati dall’attività degli organismi (grazie agli organismi degradatori che mantengono queste condizioni). Gli organismi, soprattutto i microrganismi, si sono evoluti con l’ambiente fisico producendo un sistema di controllo complesso autoregolante che mantiene le condizioni favorevoli per la vita sulla Terra (bassa anidride carbonica, alto ossigeno, ambiente fisico tamponato, elevata biodiversità aerobica).

Cibernetica degli ecosistemi

Negli ecosistemi esistono comunicazioni chimiche e fisiche che connettono le diverse parti e regolano il sistema. Anche l’uomo ha sistemi cibernetici di controllo, ad esempio la temperatura corporea, controllata da sistemi omeostatici che producono brividi quando fa freddo e sudore quando fa caldo, in modo tale da mantenere una situazione regolata.

• I meccanismi di controllo sono interni e diffusi in natura.
• La mancanza di controllo esterno in natura produce uno stato pulsante (non costante): ad esempio, nel rapporto preda-predatore, quando ci sono più prede i predatori si riproducono e aumentano di numero, e questo porta ad un aumento della caccia e quindi ad una conseguente diminuzione del numero di prede, che porta quindi ad una morte dei predatori. Questo è un andamento sinusoidale che caratterizza uno stato pulsante.
• La stabilità varia in funzione della severità dell’ambiente e dell’efficienza dei controlli interni. Stabilità di resistenza: capacità dell’ecosistema di rimanere stabile di fronte ad uno stress. Stabilità di resilienza: capacità di recuperare velocemente dopo uno stress. Sono due sistemi di stabilità differenti e assolutamente separati tra loro: se uno ha alta capacità di resistenza non ha resilienza e viceversa.

Necessari per i sistemi di controllo sono il feedback positivo, necessario per la crescita e la sopravvivenza degli organismi, e il feedback negativo, che impedisce la crescita esponenziale ed eccessiva di una popolazione o il surriscaldamento: quando non ci sono abbastanza risorse, la popolazione smette di crescere per sfruttare al meglio le risorse che gli sono rimaste. Il feedback negativo è un sistema tipico della natura.

Ecosistemi acquatici

Sono divisi in:

• Ambienti marini: mari, oceani, estuari, barriere coralline, mangroveti.
• Ambienti d’acqua dolce: ambienti lotici (fiumi), ambienti lentici (laghi, stagni).

Ambienti lentici

Sono laghi e stagni, ossia depressioni del territorio che contengono acque più o meno ferme in base ai fiumi e torrenti che entrano/escono nei laghi. Il problema di queste acque ferme è l’inquinamento delle acque. I laghi hanno batimetria (profondità) variabile da 1 a 2000m.

Origine degli ecosistemi lentici

• Erosione glaciale, data dall’erosione di pendici di valli in alta montagna e i ghiacciai scavano bacini che si riempiono poi d’acqua piovana o derivata dalla fusione delle nevi. L’arretramento dei ghiacciai deposita creste di detrito (morene) che fungono da dighe naturali.
• Deposizione (pendici erose in valli di montagna)
• Azione dei fiumi, che trasportando fango e detriti originano dighe naturali in grado di trattenere l’acqua a monte.
• Origine antropica: bacini artificiali. Possono essere una risorsa per luoghi dove c’è poca acqua, ma anche avere risvolti negativi (inquinamento alghe tossiche).

Caratteristiche fisiche dei laghi

Si possono suddividere in strati orizzontali e strati verticali in base alla profondità di penetrazione della luce e all’attività fotosintetica. Gli strati orizzontali sono individuabili a colpo d’occhio, mentre quelli verticali, influenzati da profondità e penetrazione della luce, sono meno evidenti.

Zonazione orizzontale

• Fascia litorale: zona più ricca di vita e più vicina all’uomo, è anche la zona più a rischio per lo scarico di inquinanti da parte dell’uomo.
• Zona limnetica: si estende fino al punto di compensazione (profondità), ossia il punto in cui la produzione eguaglia la respirazione, ed è ricca di zooplancton, fitoplancton e alcuni pesci.
• Zona pelagica o profonda: zona al di sotto del punto di compensazione, è una zona totalmente buia e fredda e non ci sono autotrofi, ma solo eterotrofi che attuano respirazione. Questa zona trae energia dal materiale organico proveniente dagli strati superiori.
• Zona bentonica: zona in cui i rifiuti tendono a sedimentarsi e dove la materia organica viene decomposta.

Caratteristiche zoo-botaniche dei laghi

• Zona litorale: vita acquatica ricca e abbondante, dominata da vegetazione emergente (radici sul fondale e apparato fogliare fuori dall’acqua) in acque meno profonde, oppure piante flottanti (brasche e ninfeacee) nelle acque più profonde, o a profondità ancora più profonde troviamo le piante acquatiche sommerse. In associazione alle piante vive una comunità ricca di specie, tra cui protozoi, insetti, pesci. Da questa zona litorale proviene gran parte del materiale organico che entra nel sistema.
• Zona limnetica: le forme di vita abbondanti appartengono a fitoplancton e a zooplancton, che rappresentano un anello importante nel passaggio di energia lungo la rete trofica. Nei periodi di rimescolamento delle acque (primavera e autunno) i nutrienti rilasciati dai processi di decomposizione risalgono e arricchiscono gli strati superficiali impoveriti: in primavera principalmente, quando ci sono molti nutrienti e i raggi solari a disposizione del fitoplancton, in acque basse si verifica il BLOOM ALGALE, un’esplosione demografica seguita da un rapido consumo dei nutrienti e da una conseguente riduzione dei popolamenti fitoplanctonici.
• Zona profonda: la vita in questa zona dipende dalle sostanze nutritive presenti negli strati superiori, dalla temperatura e dall’ossigeno. In acque molto produttive, l’ossigeno può diventare un fattore limitante a causa degli organismi decompositori del fondale che lo consumano fino all’ipossia per i loro processi metabolici, e quindi in queste condizioni pochi organismi aerobi sono in grado di sopravvivere. Sul fondo l’attività biologica è molto intensa, infatti risulta sempre un calo d’ossigeno poco sopra i sedimenti: questa carenza di ossigeno favorisce la vita dei batteri anaerobi, che favoriscono la putrefazione, e come prodotti del loro metabolismo rilasciano sostanze tossiche come metano e acido solfidrico.
• Zona bentonica: formata da organismi del perifiton, ossia una microflora che si sviluppa su qualsiasi tipo di substrato, e comprende alghe, batteri, funghi.

Eutrofizzazione

(da eutrofia = condizione di ricchezza di nutrienti)

• Eutrofizzazione naturale: concentrazione di fosforo determina la produttività di un lago e aumenta la crescita delle alghe.
• Eutrofizzazione culturale: dovuta alle varie attività dell’uomo (agricoltura, edilizia…) che hanno portato a rilasciare nei laghi molti minerali inorganici come fosforo e azoto che portano al bloom algale, alla nascita di batteri anaerobici e al successivo rilascio di sostanze tossiche nei laghi.

Lago eutrofo: ha un elevato rapporto volume/superficie, quindi rispetto alla sua estensione ha una bassa profondità. È molto ricco di nutrienti (fosforo e azoto) che favoriscono la crescita abnorme di fitoplancton, che si concentra nello strato superficiale formando una patina verde, e di alghe che si depositano sul fondale dove i batteri si cibano di questo materiale organico morto, consumando tutto l’ossigeno disponibile, che in casi estremi può portare alla morte delle popolazioni di invertebrati e pesci.

Lago oligotrofo: lago con acque povere di nutrienti, carenti principalmente di fosforo più che di azoto a causa di una scarsa immissione di nutrienti da parte degli ecosistemi circostanti. Tale condizione determina una limitata produzione di sostanza organica e una ridotta attività dei decompositori, per cui la concentrazione di ossigeno è sempre alta. Sebbene l’abbondanza di organismi è piuttosto bassa, la diversità è molto elevata. Inoltre questo tipo di laghi ha un basso rapporto tra volume e superficie.

Lago mesotrofo: lago con condizioni intermedie tra eutrofo e oligotrofo. I laghi tendono a passare da oligotrofi ad eutrofi poiché in ere geologiche la profondità del lago diminuisce, e quindi volume e concentrazione aumentano. Per abbattere il sovraccarico di nutrienti scaricati nel lago si costruiscono dei depuratori.

Ambienti lotici

L’ecosistema fluviale rappresenta un susseguirsi di condizioni ambientali differenti. Esso ha bassa resistenza ma è molto resiliente, poiché l’acqua scorre continuamente e il sistema è mobile. Il lento ma costante cambiamento del fiume porta continue differenze da tutti i punti di vista (volume, portata, nutrienti…)

• A livello della sorgente: l’acqua è fredda e c’è poca luce, perciò la produttività primaria è tipicamente bassa e le condizioni di vita sono poco favorevoli. Il 90% della sostanza organica deriva dalla vegetazione di sponda, e gli organismi dominanti sono raschiatori e collettori, che vivono sul fondo delle acque e si sono adattati assumendo forme piatte idrodinamiche. Il rapporto tra produzione e respirazione è minore di 1.
• A livello della valle: il letto del fiume si allarga, la temperatura dell’acqua aumenta e la corrente diminuisce, rendendo le condizioni di vita più favorevoli. Si sviluppano quindi produttori primari come alghe e macrofite acquatiche, che rendono il corso d’acqua indipendente dall’immissione di materia organica particolata. Presenza di collettori e raschiatori che diventano i consumatori dominanti e sono pure presenti pesci come trote, persico ecc. che si nutrono di insetti, microrganismi e altri pesci. Il rapporto tra produzione e respirazione è maggiore di 1.
• A livello di pianura/foce: l’acqua è calda e la corrente diminuisce ancora di più. In queste zone prevale la sostanza organica disciolta (DOM) e inoltre c’è molta ricchezza di nutrienti, che favoriscono la vita degli autotrofi. Si possono trovare alcune specie di pesci, ma in numero ridotto. Il rapporto tra produzione e respirazione è minore di 1 poiché essendo che non c’è tanto fitoplancton, c’è molto materiale sospeso e la luce non arriva tanto in profondità, e i fitoplancton senza luce e nutrienti muoiono.

Mari e oceani

Circa il 71% della superficie terrestre è occupata dagli oceani; circa il 97% dell’acqua del pianeta è contenuta negli oceani, e quindi l’acqua dolce è molto rara. Gli oceani ricoprono il 97% dell’emisfero australe e il 50% dell’emisfero boreale.

Importanza di mari e oceani

• Regolano il clima terrestre grazie alle correnti (la corrente del golfo tocca l’Europa e riscalda le acque).
• Rappresentano l’habitat ideale per almeno 250000 specie di organismi.
• Disperdono e diluiscono molti rifiuti prodotti dagli organismi terrestri.

Negli oceani si distinguono due zone principali:

• Zona costiera: ha acque relativamente calde, basse e ricche di nutrienti, e rappresenta circa il 10% dell’area oceanica. Contiene circa il 90% delle specie marine conosciute e possiede una produttività primaria molto elevata. Arriva fino alla piattaforma continentale.
• Zona oceanica: costituisce la parte preponderante degli oceani e contiene solo il 10% delle specie marine. La produttività primaria è bassa e questa zona viene a sua volta divisa in tre aree: eutrofica (la più ricca di vita), ba...