Appunti di Ecologia

Appunti di ecologia

Capitolo 1 – La rete della vita

Concetto 1.1: Gli eventi nel mondo naturale sono interconnessi

Concetto 1.2: L’ecologia è lo studio scientifico delle interazioni tra gli organismi e il loro ambiente.

Concetto 1.3: Gli ecologi valutano le diverse ipotesi relative ai sistemi naturali attraverso osservazioni, esperimenti e modelli.

Caso studio: Malformazioni e declino delle popolazioni di anfibi

C’è un’alta incidenza di deformità negli anfibi. Le popolazioni di anfibi stanno declinando a livello mondiale (anche in aree incontaminate). Gli anfibi sono considerati “indicatori biologici”: specie di microorganismi, piante e animali che hanno una o più specifiche richieste e diventano molto limitati nella loro distribuzione. Perciò la presenza di queste specie in una particolare area indica condizioni di habitat speciali, e alcune condizioni molto specifiche dell’ambiente.

• La pelle permeabile; le molecole inquinanti possono passare molto facilmente.
• Le uova non hanno un guscio protettivo.
• Passano parte della loro vita sulla terra e parte in acqua; perciò sono esposte agli inquinanti e gli UV in entrambi gli ambienti.

La popolazione umana ha un enorme impatto sul pianeta. È importante che si provino a capire come funzionano i sistemi naturali. L’ecologia è la scienza che studia come gli organismi influenzano, e sono influenzati dagli altri organismi e dall’ambiente.

Concetto 1.1: Gli eventi del mondo naturale sono interconnessi

Anche le specie che non interagiscono direttamente possono essere in connessione condividendo le caratteristiche ambientali. Gli ecologi si pongono domande sul mondo naturale proprio per capire queste connessioni.

Studi

• Deformità nelle rane degli alberi del Pacifico che si rivelavano solo negli stagni in cui erano presenti le lumache acquatiche, Helisoma tenuis, un’ospite intermedio del parassita Riberoia ondatrae, un verme piatto trematode.
• Tutte le rane deformate avevano cisti di Ribeiroia.

Le osservazioni sulle rane del Pacifico hanno suggerito che Ribeiroia può causare le deformità. Sessione & Ruth (1990) condussero un esperimento in cui impiantarono piccole perle di vetro negli arti in via di sviluppo dei girini per mimare l’effetto delle cisti di Ribeiroia.

Johnson et. Al (1999) effettuarono un esperimento controllato: i gruppi sperimentali furono comparati con i gruppi di controllo che non presentavano il fattore da testare. Le uova delle rane furono poste in una zona in cui il parassita era assente e furono esposte al parassita in laboratorio. Vennero sottoposte a 4 trattamenti; 1 girino in ogni vasca da 1 L; 0 (gruppo di controllo), 16, 32 o 48 individui di Ribeiroia. La percentuale di rane deformi aumentò con l’aumentare del numero di parassiti a cui venivano esposti i girini. La sopravvivenza dei girini diminuì fino a sotto il 40% con l’aumentare del numero di parassiti.

Conclusioni dello studio

I parassiti Ribeiroia possono causare deformità nelle rane. Siccome l’esposizione ai parassiti ha ucciso il 60% dei girini, i parassiti possono contribuire al declino degli anfibi.

Esperimento su campo

Kiesecker (2002) ipotizzò un effetto sinergico tra i parassiti e i pesticidi (Effetto 1 + effetto 2 < Effetto totale). Vennero presi sei stagni tutti con Ribeiroia, 3 con anche la contaminazione dei pesticidi. I girini vennero posti in 6 gabbie in ogni stagno; 3 avevano maglie abbastanza larghe da permettere al parassita di entrare e 3 non permettevano il passaggio dei parassiti.

I girini nelle gabbie senza parassiti (con e senza pesticidi) non svilupparono alcuna deformità. Il 4% dei girini nelle gabbie senza pesticidi ma con i parassiti svilupparono deformità. Il 29% dei girini nelle gabbie con i parassiti e i pesticidi svilupparono deformità.

Conclusioni dello studio

1. L’esposizione a Ribeiroia è necessaria per lo sviluppo della deformità.
2. Quando le rane sono esposte a Ribeiroia, le deformità sono più frequenti negli stagni con i pesticidi che in quelli senza pesticidi.

Ipotesi: I pesticidi diminuiscono l’abilità delle rane di resistere alle infezioni dei parassiti. In un altro esperimento di Kiesecker (2002) i girini che si sviluppavano in presenza dei pesticidi avevano meno eosinofili (ciò indica una soppressione del sistema immunitario) e alti tassi di cisti di Ribeiroia. Eosinofili: sono cellule bianche del sangue usate per la riposta immunitaria. I risultati dell’esperimento furono confermati da Rohr e al. (2008) con uno studio sul numero di altri trematodi e le relative specie di rane. I pesticidi potevano diminuire l’abilità degli anfibi di resistere all’attacco parassitario, e le deformità erano più comuni negli ambienti con i pesticidi. Comunque, anche altri fattori giocano un ruolo. L’uso di pesticidi sintetici è iniziato negli anni 30 e da allora il loro utilizzo è cresciuto drammaticamente. L’esposizione degli anfibi ai pesticidi è aumentata, e ciò aiuta a spiegare le deformità. Un altro fattore sono i fertilizzanti. (Johnson 2007)

• I fertilizzanti che sfociano negli stagni aumentano la crescita delle alghe.
• Le lumache che ospitano Ribeiroia mangiano le alghe.
• Un numero maggiore di lumache dà luogo a un numero maggiore di parassiti.

Quando le persone alterano un aspetto di un ambiente, possono causare altri cambiamenti che non sono prevedibili e prevenibili. Alcuni cambiamenti che l’uomo apporta a livello locale e globale hanno aumentato i rischi per la salute umana. Nuove malattie come l’AIDS, la malattia di Lyme, l’hantavirus, l’ebola, e la febbre del Nilo possono essere collegate alle azioni degli uomini stessi sull’ambiente.

Concetto 1.2: L’ecologia è lo studio scientifico delle interazioni tra l’organismo e l’ambiente

L’ecologia è lo studio scientifico delle interazioni tra organismi e ambiente. La scienza ambientale incorpora concetti dalle scienze naturali (tra cui l’ecologia) e le scienze sociali e si focalizza su come le persone influenzino l’ambiente e come risolvere i problemi ambientali.

Una visione primitiva dell’ecologia (Errata):

1. C’è un “equilibrio della natura” nel quale i sistemi naturali sono stabili e tendono a tornare al loro stato originale dopo un disturbo.
2. Ogni specie ha un ruolo distinto che deve giocare per permettere l’equilibrio.

Gli ecologi hanno poi riconosciuto che:

1. I sistemi naturali non necessariamente ritornano allo stato originale dopo un disturbo e
2. Perturbazioni casuali possono giocare un ruolo molto importante.

Le prove suggeriscono che le specie differenti spesso rispondono in modi diversi alle condizioni in cambiamento. Gli scienziati ora riconoscono che le interazioni ecologiche sono più complesse di quanto si pensasse. Una visione importante che si è capita è che: gli eventi in natura sono interconnessi. Un cambiamento in una parte del sistema ecologico può alterare altre parti del sistema.

Massime ecologiche

1. Non puoi fare una cosa sola.
2. Tutto va da qualche parte.
3. Nessuna popolazione può crescere per sempre.
4. Non ci sono pasti gratis.
5. Questioni evolutive: Gli organismi evolvono o cambiano nel tempo è un errore vederli statici.
6. Questioni di tempo: Gli ecosistemi cambiano nel tempo.
7. Questioni di spazio: condizioni ambientali biotiche e abiotiche possono cambiare drammaticamente da un posto a un altro, a volte a brevi distanze.
8. La vita sarebbe impossibile senza interazioni.

Gli ecologi devono selezionare appropriate scale di studi:

• Scale spaziali: Piccole (microorganismi del suolo), Grandi (inquinanti atmosferici)
• Scale temporali: Corte (risposta delle foglie alla luce), Lunghe (cambiamento delle specie in tempi geologici)

Gli ecologi studiano le interazioni tra i diversi livelli di organizzazione. Gli studi ecologici generalmente si concentrano su individui, popolazioni, comunità o ecosistemi.

• Popolazione: un gruppo di individui di una specie che vive e interagisce in un’area particolare.
• Comunità: un’associazione di popolazioni di diverse specie che vivono nella stessa area.

Gli studi ecologici spesso includono sia fattori biotici (viventi) che abiotici (fisici) nei sistemi naturali.

• Ecosistema: una comunità di organismi e il loro ambiente fisico.
• Paesaggio: l’area con delle differenze sostanziali, che include diversi ecosistemi.
• Tutti gli ecosistemi del mondo compongono la biosfera – tutti gli organismi viventi sulla terra e il loro ambiente in cui vivono.

Tutti i sistemi viventi cambiano nel tempo.

Evoluzione

1. Cambiamenti nelle caratteristiche genetiche (ereditabili) di una popolazione nel tempo.
2. Discendenti con mutazioni – gli organismi gradualmente accumulano differenze dagli antenati.

Termini chiave

1. Adattamento: La caratteristica di un organismo di migliorare la sua abilità per sopravvivere e riprodursi nell’ambiente.
2. Selezione naturale: il processo evolutivo in cui gli individui che posseggono particolari caratteristiche sopravvivono o si riproducono a un tasso più alto degli altri individui grazie alle loro caratteristiche. Se l’adattamento è ereditabile la frequenza delle caratteristiche può aumentare nella popolazione nel tempo.

Processi ecosistemici

1. Produttori: un organismo che usa energia da una risorsa esterna come il sole per produrre il suo cibo senza dover mangiare altri organismi (autotrofi).
2. Consumatore: un organismo che ottiene energia mangiando un altro organismo o i suoi detriti (eterotrofi).
3. Produzione primaria netta (NPP): la quantità di energia che un produttore fissa per fotosintesi o altro, meno la quantità che usa per la respirazione cellulare.
4. Ciclo di nutrienti: il movimento ciclico dei nutrienti tra gli organismi e il loro ambiente fisico.

Concetto 1.3: Gli ecologi valutano le diverse ipotesi relative ai sistemi naturali attraverso osservazioni, esperimenti e modelli

Nessun approccio singolo lavora in ogni situazione, così gli ecologi usano diversi metodi:

• Studi osservazionali su campo.
• Esperimenti controllati in laboratorio.
• Esperimenti su campo.
• Modelli quantitativi.

Studi osservazionali su campo: Johnson e al (1999) osservarono gli stagni per mettere in relazione le deformità delle rane con la presenza dei parassiti ospiti delle lumache.

Esperimenti controllati

Testano anche le osservazioni esponendo i girini a diversi livelli di parassiti in laboratorio.

Esperimenti su campo

Kiesecker (2002) comparò le rane con tre stagni che contenevano i pesticidi e tre stagni che non li contenevano.

Modelli quantitativi

Non ancora visti

Gli esperimenti ecologici possono essere fatti su diverse scale dalle scale più piccole in laboratorio fino a scale grandi negli ecosistemi. Quando è possibile gli esperimenti includono uno o più gruppi di controllo, che non sono soggetti a nessuna alterazione. A volte gli esperimenti sono difficili o impossibili da compiere (ad esempio quando gli eventi avvengono su scale geografiche vaste). Gli studi sul riscaldamento globale usano un insieme di studi osservazionali, esperimenti su piccola scala, e modelli quantitativi (matematici e informatici).

Cambiamento climatico

Un cambiamento direzionale nel clima (ad esempio il riscaldamento globale) che avviene oltre i 30 anni o di più. Il clima influenza molti aspetti dell’ecologia. I cambiamenti avvengono nella fisiologia, sopravvivenza, riproduzione e range geografici di migliaia di specie.

Fasi di esperimento

1. Replicazione: ripetere l’esperimento più di una volta; riduce la possibilità che il risultato possa essere avvenuto a causa di una variabile che non era misurata o controllata nello studio.
2. Assegnare i trattamenti casualmente limita gli effetti delle variabili non misurate.
3. Analizzare i risultati usando metodi statistici: metodi standardizzati per determinare se le differenze osservate sono significative (abbastanza grandi per avere importanza biologica).

Un esperimento di 10 anni. Analizzarono l’effetto degli insetti erbivori sulla pianta Solidago altissima.

L’ipotesi: l’abbondanza delle piante, la crescita e la riproduzione differisce tra i plot trattati con insetticidi e i plot di controllo? L’asteracea era più abbondante nei plot trattati con insetticidi rispetto a quelli di controllo.

Gli scienziati usano una serie di passaggi chiamati metodo scientifico:

1. Fare osservazioni e porsi domande.
2. Usare la conoscenza pregressa, l’esperienza, o l’intuizione per sviluppare ipotesi.
3. Valutare ipotesi con gli esperimenti, gli studi osservazionali, o i modelli quantitativi.
4. Usare i risultati per modificare le ipotesi, proporre nuove domande, o portare conclusioni sulla natura.

Un caso studio rivisitato

Gli studi hanno suggerito che un range di fattori possono essere responsabili del declino degli anfibi. L’importanza relativa dei fattori come la perdita di habitat, i parassiti, l’inquinamento, l’esposizione agli UV e altri sono ancora investigati. Stuart et al. (2004) analizzarono gli studi su 435 specie:

• La perdita di habitat era la causa primaria per 183 specie; il sovraffollamento per 50 specie.
• Le cause delle restanti 207 non sono ancora conosciute.

Skerrat et al. (2007) discussero che il declino potesse essere causato da patogeni, come il fungo chytrid che causa una malattia della pelle letale e che ha spopolato rapidamente negli ultimi anni. Ma il cambiamento climatico e le condizioni alterate possono favorire la crescita e la trasmissione delle malattie tra organismi.

Il declino degli anfibi sembra essere causato da fattori complessi che spesso agiscono insieme (fattori sinergici) e possono variare da posto a posto. Negli studi sugli effetti dei pesticidi e i predatori Reylea (2003) trovò che in 2 di 6 anfibi i pesticidi erano 46 volte più letali nei girini che vivevano in presenza di predatori. Il meccanismo per il quale questo avviene è ancora sconosciuto. Un insieme di fattori possono causare le deformità nelle rane, ma è conosciuto poco di come questi fattori interagiscano. C’è ancora molto da scoprire nel campo dell’ecologia.

Connessioni in natura

Il mondo naturale è vasto, complesso e interconnesso, ma gli ecologi pensano che è possibile comprenderlo.

Capitolo 2 – L’ambiente fisico

Concetto 2.1: Il clima è componente fondamentale dell’ambiente fisico

Concetto 2.2: I venti e le correnti oceaniche si originano dalle differenze di radiazione solare incidente sulla superficie terrestre.

Concetto 2.3: La circolazione atmosferica ed oceanica su larga scala determina gli andamenti globali delle temperature e delle precipitazioni.

Concetto 2.4: Il clima a livello regionale riflette l’influenza dei mari e dei continenti, delle montagne e della vegetazione.

Concetto 2.5: Le variazioni climatiche stagionali e a lungo termine sono associate ai cambiamenti della posizione della Terra rispetto al Sole.

Concetto 2.6: Salinità, acidità e concentrazione di ossigeno sono i principali fattori determinanti dell’ambiente chimico.

Caso studio: Variazione climatica e abbondanza di salmoni

I salmoni sono anadromi. Ritornano ai fiumi dall’oceano per deporre le uova. I grizzly si nutrono di uova di salmone. I salmoni sono anche importanti nella cultura dei Nativi Americani e sono pescati per il commercio. Molti trattamenti dei fiumi, come la costruzione di dighe, l’inquinamento e la pesca incontrollata hanno diminuito la deposizione delle uova di salmone e il loro successo riproduttivo. Ma sono implicate anche le condizioni dell’oceano, dove i salmoni spendono la maggior parte della vita adulta. Hare & Francis (1994) studiarono i dati relativi alla pesca e mostrarono che i periodi di alta e bassa produzione sono associati con le variazioni climatiche del Nord Pacifico.

Mantua et al (1997) notarono che periodi con alta produzione di salmoni in Alaska corrispondevano a periodi di bassa produzione in Oregon e Washington. Hanno anche trovato una correlazione tra il cambio di produzione di salmoni e le temperature della superficie marina. L’ambiente fisico determina dove gli organismi possano vivere, le risorse disponibili e il tasso con il quale la popolazione cresce. Perciò capire l’ambiente fisico è la chiave per capire tutti i fenomeni ecologici.

Concetto 2.1: Il clima è la componente fondamentale dell’ambiente fisico

Tempo meteorologico: Le condizioni correnti di temperatura, precipitazione, umidità, nuvole.

Clima: descrizione a lungo termine di tempo, basata sulle medie e le variazioni misurate nei decenni; includendo i cicli giornalieri e stagionali, come quelli annuali e decennali.

Cambiamenti climatici a lungo termine sono il frutto di cambiamenti nell’intensità e nella distribuzione delle radiazioni solari e i cambi nei bilanci di energia. Il cambiamento climatico corrente è causato dall’aumento di CO₂ e di altri gas nell’atmosfera a causa delle attività umane.

Il clima determina la distribuzione geografica degli organismi. È caratterizzato dalle condizioni medie; ma le condizioni estreme sono importanti per gli organismi perché contribuiscono alla mortalità. L’ambiente fisico deve essere caratterizzato dalla variabilità nel tempo e dalle condizioni medie. Il tempo di variazione è importante, come la stagionalità delle piogge. Nel clima di tipo Mediterraneo la maggior parte delle precipitazioni avviene in inverno; e le estati sono secche. Le estati secche promuovono gli incendi. Le praterie hanno le stesse temperature medie annue ma le precipitazioni sono distribuite equamente nel corso dell’anno. Il clima influenza i processi abiotici, come la velocità con...