Appunti di Ecologia

Ecologia e studio delle interazioni

Il termine ecologia fu usato per la prima volta da Ernest Haeckel nel 1869. Possiamo definire l’ecologia come: lo studio scientifico delle interazioni tra gli organismi e il loro ambiente. Nel 1972 Krebs diede una nuova definizione: l’ecologia è lo studio scientifico delle interazioni che determinano la distribuzione e l’abbondanza degli organismi (non compare la parola ambiente).

Ambiente e livelli di ecologia

L’ambiente di un organismo è costituito da tutti quei fattori e fenomeni esterni all’organismo stesso che lo influenzano, sia biotici (es. altri organismi) che abiotici (fisici, chimici). L’ecologia si interessa di tre livelli:

• Organismo individuale
• Popolazione (più individui della stessa specie)
• Comunità (più popolazioni)

A livello di organismo, l’ecologia si occupa del modo in cui gli organismi vengono influenzati dal loro ambiente biotico e abiotico (e di come lo influenzano).

A livello di popolazione, l’ecologia si occupa della presenza di alcune specie; delle abbondanze e delle rarità; delle tendenze e delle fluttuazioni degli individui che la compongono.

A livello di comunità, l’ecologia si occupa della composizione e della struttura della comunità e delle vie seguite dall’energia, dalle sostanze nutritive e così via.

Habitat e termini ecologici

Habitat acquatici:

• Oceanografia
• Ecologia marina
• Ecologia fluviale o limnologia

Habitat terrestri:

• Ecologia artica
• Ecologia forestale
• Ecologia agricola
• Ecologia urbana

Termini usati in ecologia:

• Gerarchia: disposizione in serie progressiva
• Sistema: insieme unico formato da diverse componenti interdipendenti e interattive
• Popolazione: insieme di individui appartenenti alla stessa specie
• Comunità: insieme di popolazioni che occupano la stessa area (biocenosi)
• Biotopo: una determinata area, con le sue componenti abiotiche
• Ecosistema: biotopo + biocenosi
• Paesaggio: area territoriale eterogenea, composta da ecosistemi interagenti che si ripetono in una configurazione caratteristica

Proprietà emergenti e collettive

Proprietà emergenti: Combinando le parti che compongono un livello per produrre quello più elevato, emergono nuove proprietà. Per lo stesso motivo, esistono proprietà dell’insieme non riconducibili alla somma delle proprietà delle sue componenti, come nel caso dell'acqua formata da idrogeno e ossigeno. Il nuovo livello di organizzazione ha proprietà diverse da quello sottostante.

Esistono anche le proprietà collettive che non implicano caratteristiche nuove derivanti dal nuovo livello, ma solo l’integrazione di caratteristiche pre-esistenti. La natalità è una proprietà collettiva tipica della popolazione che deriva solo dalla somma delle nascite riportabili ai singoli individui.

Nell’ambito delle proprietà emergenti si realizzano meccanismi di retro-controllo:

• Omeoresi: tendenza di un sistema a mantenere se stesso in una fase di equilibrio oscillante, generato dall’interazione dei cicli della materia e dei flussi di energia insieme ai feedback dei piccoli sistemi.
• Omeostasi: tendenza di un sistema a resistere ai cambiamenti e a mantenere se stesso in una fase di equilibrio stabile.

Ogni livello di sistema biologico ha proprietà emergenti e minore variabilità dei sotto-sistemi di cui è composto. Ciascun livello della gerarchia ecologica ha quindi proprietà emergenti uniche e proprietà collettive uniche. Ma esistono anche funzioni trascendenti: sono funzioni base che operano a qualsiasi livello (energetica, comportamento, sviluppo, evoluzione).

Il metodo scientifico

Per scienza si intende un sistema di conoscenze ottenute attraverso un'attività di ricerca organizzata e con procedimenti metodici e rigorosi, allo scopo di giungere a una descrizione verosimile, oggettiva e con carattere predittivo, della realtà e delle leggi che regolano l'occorrenza dei fenomeni.

Pseudoscienze: astrologia, creazionismo, oniromanzia, frenologia, omeopatia.

Questione metodi Stamina: Davide Vannoni si è laureato in scienze della comunicazione.

Vaccinazioni

Negli Stati Uniti ed in Europa si assiste a un ritorno del morbillo, una malattia che era stata quasi debellata col vaccino. Perché? Molti genitori si rifiutano di far vaccinare i propri figli. Sebbene il morbillo, per un bambino ben nutrito e altrimenti sano, sia una malattia benigna, sulla scala di un’epidemia la letalità non è bassa: è di circa 1 caso su 3.000 per la polmonite o per le complicanze neurologiche.

La leggenda della correlazione tra vaccini ed autismo non si è generata e diffusa autonomamente in rete, come molte altre, tra le pieghe del solito complottismo cialtrone. Alla sua origine, lo racconta Daniela Ovadia su Le Scienze, una vera e propria truffa scientifica e, se vogliamo, un corto circuito nei "sistemi di controllo" che la comunità scientifica mette in atto per garantire l'affidabilità delle ricerche e per tutelare la propria stessa credibilità.

Nel 1998 fu Lancet, una rivista seria, a pubblicare uno studio di Andrew Wakefield che metteva in relazione i vaccini con l’autismo, sulla base di evidenze che quattro anni dopo la pubblicazione nessuno era ancora riuscito a riprodurre. Di più, fu accertata una gravissima condotta fraudolenta di Wakefield, che nel 2010 fu radiato dal Medical Register del Regno Unito, mentre Lancet ritrattava la pubblicazione con tante scuse.

Nel frattempo, però, la frittata era fatta, ed ancora oggi in rete gli studi di Wakefield vengono citati come base per campagne d'opinione contro i vaccini. Campagne che nel solo Regno Unito, dopo la pubblicazione dello studio su Lancet, hanno indotto una significativa diminuzione del ricorso alla vaccinazione trivalente, con conseguente e proporzionale aumento dei casi di morbillo, anche letali.

Caratteristiche delle pseudoscienze

Una "pseudoscienza" può essere caratterizzata da alcuni dei seguenti aspetti:

• Affermazioni prive di verifica sperimentale oppure in contraddizione con altri risultati sperimentali;
• Affermazioni impossibili da verificare o da confutare;
• Tendenza a modificare abitualmente la natura delle proprie asserzioni per sfuggire alle critiche;
• Presentazione di risultati sperimentali privi di qualsiasi forma di peer review (la cosiddetta "scienza delle conferenze stampa");
• Violazione del rasoio di Occam, ovvero il principio secondo il quale per dimostrare una data teoria non si debbano fare più assunzioni di quelle strettamente necessarie;
• Denuncia di un presunto ostracismo della "scienza ufficiale", dovuto a chiusura mentale e interessi economici.

Peer review

(Valutazione tra pari) procedura di selezione degli articoli o dei progetti di ricerca proposti da membri della comunità scientifica, effettuata attraverso una valutazione esperta eseguita da specialisti del settore per verificarne l'idoneità alla pubblicazione scientifica su riviste specializzate o, nel caso di progetti, al finanziamento degli stessi.

Spesso è molto difficile per un singolo autore, o per un gruppo di ricerca, riuscire a individuare tutti gli errori o i difetti di un proprio studio, che sia questo più o meno complesso. Questo perché l'autore spesso può essere vittima di bias e/o perché in un prodotto intellettuale innovativo un'opportunità di miglioramento può essere visibile soltanto a persone con conoscenze molto specifiche.

Il lavoro o le idee di uno o più autori vengono sottoposti allo scrutinio di uno o più esperti del medesimo settore. Ognuno di questi esperti fornisce una propria valutazione (solitamente valutazioni di metodo e/o ricerca di prove valide), includendo anche suggerimenti per l'eventuale miglioramento, a un redattore o a un altro intermediario (tipicamente, la maggior parte delle valutazioni sono comunicate anche all'autore stesso). Le valutazioni solitamente includono raccomandazioni esplicite su cosa fare del manoscritto o della proposta, spesso scelte tra opzioni proposte dal giornale o dall'editore.

Teoria dell'evoluzione per selezione naturale

1) Gli individui che costituiscono la popolazione di una specie non sono identici, variano nella taglia, nella velocità di sviluppo, nella risposta alla temperatura ecc.

2) Una parte di questa variazione è ereditaria. I caratteri di un individuo sono determinati in una certa misura dalla sua costituzione genetica. In pratica la prole condivide i caratteri dei genitori.

3) Tutte le popolazioni hanno la potenzialità di popolare l’intera Terra, ma...

4) Differenti individui lasciano differenti numeri di discendenti...

5) Il numero di discendenti che un individuo lascia, dipende strettamente dall’interazione tra i caratteri dell’individuo e il suo ambiente.

L’idea della ‘trasformazione temporale’ del mondo vivente era già presente in alcuni classici greci (Anassimandro, Empedocle) ma non si affermò. Verso la fine del Seicento, si affermò la convinzione che la superficie della terra non è sempre stata come la vediamo, e che quindi sono avvenute profonde trasformazioni.

Come si spiegavano i fossili?

• Non sono resti di piante o animali, ma metallofiti, cioè concrezioni minerali
• Non sono estinti, da qualche parte ci sono
• Sono gli organismi morti nel diluvio
• Frutto di tante ‘creazioni’ indipendenti

Histoire naturelle générale et particulière (1749): Buffon affermò che la terra non ha seimila anni, ma qualche centinaia di migliaia.

Philosophie zoologique (1744-1829): Lamarck propose che esiste una variazione negli organismi, dovuta a due principi:

• L’ambiente esercita un’azione sugli organismi, modellandoli. Queste variazioni vengono poi trasmesse alla prole;
• Esiste una tendenza al progresso, un impulso alla trasformazione e all’evoluzione negli organismi stessi.

Un grande impulso venne dalle teoria geologiche di James Hutton (verso il 1788). Il mondo è molto più antico di quanto si riteneva; milioni di anni rispetto ai 6000 anni della Bibbia.

Uniformismo o attualismo: le stesse leggi naturali che erano valide in passato sono tutt’ora valide.

Darwin e il darwinismo: la rivoluzione copernicana della biologia

Darwin intraprese un viaggio di 57 mesi, chiamato il viaggio della Beagle, durante il quale fece profonde osservazioni sulla variabilità delle razze domestiche. Nel 1858, Charles Darwin e Alfred Russell Wallace proposero la selezione naturale come ‘motore’ dell’evoluzione biologica.

Influssi malthusiani: le popolazioni tendono ad incrementare numericamente, mentre le risorse rimangono costanti. Il processo ereditario è ‘conservativo’ ma non ‘perfetto’, sono possibili diversi ‘errori’ nella replicazione dei cromosomi. Nella lotta per l’esistenza, sopravvivono alcuni organismi, portatori di alcuni caratteri, questi si riproducono e trasmettono i loro caratteri in un ambiente diversificato e che cambia, portando al cambiamento delle specie!

Come si trasmettono i caratteri da una generazione all’altra? Questo fu un grosso problema per Darwin. L’evoluzione era sempre più ‘evidente’ man mano che si acquisivano informazioni in ambito biogeografico, embriologico, fisiologico, morfologico, paleontologico ma non si riuscivano a comprendere i ‘meccanismi di trasmissione’.

Mendel: osservazioni sui piselli e leggi fondamentali dell’ereditarietà dei caratteri, pubblicati su Rivista di scienze naturali di Brno. Darwin + Mendel = sintesi darwiniana o neodarwinismo.

La selezione naturale è il principale agente che opera sulla variabilità prodotta dalle mutazioni, ed è la principale causa dell’adattamento. Le nuove specie si formano con l’accumulo di diversi geni e/o combinazioni genetiche in popolazioni riproduttivamente isolate.

La selezione naturale e l’evoluzione

Il processo ereditario è ‘conservativo’ ma non ‘perfetto’. Sono possibili diversi ‘errori’ nella replicazione dei cromosomi. Ad esempio: delezione, inversione, traslocazione, duplicazione.

L’evoluzione è un processo che agisce a diverse scale, da un livello molto piccolo (ad esempio l’aumento della frequenza di un gene che codifica per ali più scure in una specie di coleottero) a uno molto grande (ad esempio la radiazione dei dinosauri).

Microevoluzione

La microevoluzione è l’evoluzione su piccola scala, all’interno di una singola popolazione. La microevoluzione agisce su piccola scala, mentre la macroevoluzione agisce ad una scala che trascende i confini delle singole specie. A dispetto di questo enorme divario, entrambi questi processi si basano sugli stessi meccanismi, quali:

• Mutazione: un cambio nella sequenza del DNA, generalmente legato a un errore di replicazione o altro. È la fonte principale della variabilità genetica.
• Migrazione: il movimento degli individui tra le popolazioni.
• Genetic Drift: cambiamenti random nella frequenza genica di una popolazione da una generazione all’altra. Avviene in seguito al fatto che alcuni genotipi si riproducono più di altri, non perché sono migliori ma perché sono più ‘fortunati’. Alcuni genotipi possono anche sparire.
• Selezione naturale.

La microevoluzione è semplicemente un cambiamento nella frequenza dei geni all’interno di una popolazione. Questo tipo di evoluzione può essere osservato su brevi periodi di tempo: ad esempio, da una generazione all’altra, la frequenza di un gene che incrementa la resistenza ai pesticidi può aumentare in una specie di coleotteri. Questo cambiamento può avvenire perché la selezione naturale ha favorito la presenza di questo gene, perché la popolazione ha ricevuto immigranti portatori del gene, o per via di genetic drift con modalità random.

Esempi introduttivi di microevoluzione

1. La taglia dei passeri in Nord America: i passeri sono stati introdotti negli Stati Uniti nel 1852. Da allora, le diverse popolazioni hanno evoluto caratteristiche differenti. Le popolazioni di passeri delle regioni del Nord hanno individui di maggiori dimensioni, mentre quelle del Sud hanno dimensioni minori. Selezione naturale - ambienti freddi / grandi dimensioni.
2. Rapida evoluzione di meccanismi di resistenza: numerosi casi documentati di aumentata resistenza a pesticidi o farmaci.
3. Resistenza agli antibiotici nei batteri: rapida evoluzione per via di rapidi cicli vitali: in ogni generazione batterica si verificano nuove mutazioni e le combinazioni genetiche sono prodotte. In poche generazioni (pochissime ore) le mutazioni che conferiscono una maggiore resistenza agli antibiotici possono diventare molto diffuse. Altro esempio: resistenza al DDT e ai pesticidi in molti insetti.

La microevoluzione può sembrare troppo poco importante per spiegare fenomeni quali la colonizzazione delle terre emerse da parte dei vegetali, la radiazione evolutiva dei dinosauri, l’origine della nostra specie. Tuttavia, essa è una forza molto potente, poiché agendo per milioni di anni porta alla macroevoluzione.

Cos’è una popolazione?

Una popolazione è un gruppo di animali che si riproducono tra loro, e quindi che condividono un determinato pool genetico. Per un coleottero, una popolazione è un gruppo di organismi che vivono sulla vetta di una montagna e sono potenziali partner riproduttivi. Il potenziale riproduttivo definisce i confini della popolazione. I biologi che studiano l’evoluzione a questo livello definiscono l’evoluzione come il cambiamento nella frequenza di geni all’interno di una popolazione.

Immaginiamo che, andando a campionare quest’anno la nostra popolazione di coleotteri sulla vetta della montagna, troviamo che:

• Quest’anno l’80% dei geni della popolazione codificano per la colorazione verde e solo il 20% per la colorazione marrone.
• Ritornando l’anno successivo troviamo che la frequenza è cambiata: il 60% codifica per il verde e il 40% per il marrone.

Il cambiamento nella frequenza genica significa che: la popolazione ha subito un’evoluzione. Com’è successo?

I meccanismi della microevoluzione

Ci sono alcuni modi attraverso i quali i cambiamenti microevolutivi possono succedere.

1. Mutazione: alcuni geni ‘verdi’ hanno mutato in geni ‘marroni’.
2. Migrazione: alcuni coleotteri con i geni ‘marroni’ sono immigrati da un’altra popolazione, oppure alcuni coleotteri con i geni ‘verdi’ sono emigrati.
3. Genetic drift: quando i coleotteri si riproducono, per eventi casuali i geni ‘marroni’ aumentano più dei geni ‘verdi’ nella generazione successiva.
4. Effetto collo di bottiglia: diminuzioni drastiche del numero di individui di una popolazione portano ad una riduzione della variabilità genetica. Ad esempio, l'elefante marino del Nord ha subito un ‘collo di bottiglia’ a causa dell’eccessivo prelievo nel 1890. Adesso gli esemplari sono circa 30.000 ma con una bassissima variabilità genetica!
5. Effetto del fondatore: avviene quando pochi individui colonizzano una nuova area; più piccola è questa colonia iniziale di ‘fondatori’ e minore sarà la variabilità genetica della popolazione.