Appunti di Ecologia Marina

Introduzione alla biologia marina

Tappe che hanno portato all'affermarsi della biologia marina come scienza

L'attenzione che l'uomo ha rivolto al mare e alla sua conoscenza nasce addirittura in epoca preistorica. Il mare è sempre stato ricco di risorse alimentari, e l'uomo ha imparato ben presto a sfruttarle. Lo testimoniano i reperti recentemente trovati in alcune aree del Sud Est Asiatico (grotta a Timor Est e Okinawa, Giappone): resti di pesci e di attrezzi da pesca, come ami fatti di conchiglia, datati oltre 40.000 anni fa. Gli archeologi hanno scoperto, in questi siti, che già allora anche specie di acque profonde e veloci nuotatori come i tonni erano oggetto di pesca.

La conoscenza del mare si è poi sviluppata di pari passo con la necessità di attraversarlo: bisognava conoscere i venti, le correnti, sapersi orientare in base alle coste e alle stelle. Nel bacino del Mediterraneo Fenici, Greci e Romani sono stati grandi navigatori e sulla conoscenza del mare hanno basato molti aspetti della loro cultura, che è testimoniata da tanti reperti. Ad esempio in questo piatto troviamo raffigurati elementi marini.

Proprio tra i Greci troviamo le prime testimonianze di un interesse scientifico per il mare. Nel V secolo a.C., Erodoto descrive le maree nel Golfo Persico e per la prima volta usa il termine “Atlantico” per descrivere i mari di occidente. Un secolo dopo il filosofo Aristotele interviene di nuovo in ambito marino in modo tale da poter addirittura essere considerato il primo biologo marino della storia. Aristotele descrive molti organismi marini, sia pesci che invertebrati, tipici dell’area dell’Egeo. Fa tra l’altro molte osservazioni di grande rilievo, identificando ad esempio nei cetacei dei mammiferi e riconoscendo nelle branchie l’apparato respiratorio dei pesci.

Dopo Fenici, Greci e Romani sono stati gli Arabi a ereditarne conoscenze e pratica.

I grandi viaggi di esplorazione del XV e XVI secolo

Per vedere un rinnovato impulso all’aumento della conoscenza del mare dopo gli anni bui del Medioevo, bisogna aspettare i grandi viaggi di esplorazione del XV e XVI secolo. Durante questi viaggi sono state raccolte le prime informazioni sui diversi mari e oceani, e la possibilità di spostarsi e quindi di conoscere è andata sempre crescendo grazie all’uso di nuovi strumenti (ad esempio la bussola) e al miglioramento nella tecnica di costruzione delle imbarcazioni e con l’uso delle prime carte nautiche.

Se il mare si doveva conoscere per attraversarlo e raggiungere nuove terre, c’è anche chi cominciò a studiarlo nei suoi diversi aspetti e componenti. Ad esempio, Robert Boyle verso la fine del ‘600 (1674) pubblica i suoi esperimenti sulla chimica dell’acqua di mare. A breve distanza (inizi 1700) seguono altre pubblicazioni di rilievo su diversi aspetti dell’ambiente marino, come quelle del bolognese Marsilli (prima opera di oceanografia fisica, chimica e biologica + altri scritti su morfologia, movimenti delle acque, flora e fauna del Golfo del Leone).

Ma una svolta importante nella storia della biologia marina è rappresentata dai viaggi di esplorazione di James Cook. Siamo nella seconda metà del ‘700 (tra il 1768 e il 1779). Per la prima volta durante questi viaggi, che coprivano un’estensione veramente vasta andando dalle alte alle basse latitudini in entrambi gli emisferi, venivano inclusi nell’equipaggio dei naturalisti. Questi avevano modo di raccogliere una quantità enorme di dati durante il viaggio, raccolti in maniera sistematica su temperatura, profondità, correnti e raccolsero molte specie, mai conosciute prima. Molte di esse furono portate in patria per essere messe a disposizione della comunità scientifica dell’epoca.

L’800 è il secolo delle grandi spedizioni, specificamente finalizzate all’esplorazione dei mari. Alcune di queste riuscirono a raccogliere dati anche in ambienti particolarmente difficili, a latitudini artiche e antartiche, prelevando campioni a profondità molto elevate e trovando organismi viventi. Sono queste le ricerche per esempio condotte da John Rose e suo nipote James, che contribuirono tra l’altro a scalzare la teoria azoica. Questa teoria era stata formulata dall’inglese Forbes a metà del 1800. Forbes, durante una campagna di campionamenti nel Mediterraneo, fino alla profondità di 600m non era riuscito a trovare nessuna forma di vita e quindi aveva imputato l’assenza di vita alle profondità più elevate a causa della mancanza di ossigeno e alla forte pressione presente a quelle profondità. Forbes era una figura eminente nel panorama scientifico del tempo, quindi la sua teoria resistette qualche decina di anni prima di essere abbandonata del tutto.

Il viaggio del Beagle (1831-1836)

Parlando di naturalisti viaggianti dell’800 sicuramente il più famoso è stato Darwin, con il suo viaggio intorno al mondo a bordo del Beagle (1831-1836). Molte delle osservazioni raccolte durante quel viaggio sono state poi utilizzate da Darwin per l’elaborazione della “teoria dell’evoluzione attraverso la selezione naturale”. È forse meno noto che Darwin grazie a quel viaggio ha dato anche un importante contributo alla biologia marina. Ad esempio: ha spiegato la formazione degli atolli corallini, ha realizzato un retino da plancton per catturare i piccoli organismi flottanti nelle acque, ha studiato la biologia dei balani (crostacei cirripedi diffusi sulle coste rocciose).

La spedizione del Challenger (1872-1876)

La spinta alla conoscenza dei mari da parte della comunità scientifica dell’Inghilterra della metà dell’800 portò il governo britannico a finanziare la prima vera e propria missione scientifica finalizzata allo studio dei mari: la spedizione del Challenger (1872-1876). La nave Challenger fu la prima nave oceanografica. Era originariamente una nave da guerra, ma fu modificata, dotata di laboratori, attrezzi per tutti i tipi di campionamento e delle migliori tecnologie del tempo. Questa spedizione durò tre anni e mezzo, percorse più di 125.000 chilometri e raccolse una mole enorme di informazioni che furono poi pubblicate (ci vollero 20 anni e 50 volumi per pubblicare tutti i risultati del viaggio).

• Scoperta e classificazione di 4717 nuove specie marine
• Mappatura sistematica di dati di temperatura e correnti degli oceani
• Mappatura dei sedimenti dei fondali marini
• Prova dell’esistenza della vita nelle profondità abissali e confutazione definitiva della teoria di Forbes
• Scoperta della dorsale medio-atlantica
• Misura dei vari parametri nella colonna d’acqua fino alla profondità di 8183 m nella fossa delle Marianne

Si può dire che questa spedizione è alla base della fondazione della biologia marina moderna.

Le stazioni di biologia marina

Un po’ alla volta si è fatta strada l’idea della necessità di studiare gli organismi marini vivi, inseriti nel loro ambiente, di poterne studiare la fisiologia, il comportamento, la riproduzione. Questo richiedeva delle stazioni sul mare, attrezzate adeguatamente per poter mantenere gli organismi, fare osservazioni e misure ripetute nel tempo. Tutto ciò portò alla nascita dei primi istituti di Biologia Marina costruiti lungo le coste:

• La prima stazione fu la Stazione Biologica di Concarneau in Francia (Costa Atlantica, 1859), seguita dalle Stazioni di Arcachon, Roscoff, Banylus e Villefranche-sur-Mer (sia costa Mediterranea che costa Atlantica francese)
• La Stazione Zoologica di Napoli nasce nel 1872 (fondata da un biologo tedesco: Anton Dohrn), nel 1875 quella di Trieste
• Sorgono il Marine Biological Laboratory di Woods Hole nel 1871 e quello di Plymouth nel 1879

Analoghi istituti sorsero in quegli anni anche in Inghilterra e Nord America.

Istituzioni oceanografiche internazionali

I primi decenni del ‘900 hanno visto il proseguire di questa spinta allo studio del mare attraverso la nascita di grandi Istituti di ricerca marina sia in Europa che in America. Ad esempio:

• In America: Woods Hole Oceanographic Institution, Massachusetts, dedicato alle scienze marine ma anche alla realizzazione di strumentazioni e attrezzature per la ricerca in mare
• In America: SCRIPPS Institution of Oceanography, San Diego, California. Altro esempio di una grande struttura che si occupa di ricerche marine. È sorta all’inizio del ‘900 e le sue ricerche riguardano in particolare gli ambienti di profondità. È un istituto che ha mezzi notevoli e una vera e propria flotta dedicata alla ricerca oceanografica
• In Europa: Alfred Wegener Institute, Bremerhaven, Germania. È uno dei più importanti centri di ricerche marine in ambienti polari. È dotato di una nave da ghiaccio, la Polarstern
• In Europa: NIOZ, Olanda. Ha la sede principale sull’isola di Texel e si occupa di ricerche marine con un particolare focus su ambienti costieri ed estuarini e anche su aspetti applicativi nel campo dell’acquacoltura

Questi sono solo alcuni esempi di grandi centri di ricerca sul mare che operano a livello internazionale coinvolgendo centinaia di ricercatori.

Istituti di ricerca sul mare in Italia

• Istituto di Scienze Marine ISMAR – CNR (varie sedi, la principale a Venezia)
• Stazione Zoologica Anton Dohrn (varie sedi: Napoli e altre nel centro sud)
• Istituto Nazionale di Oceanografia e Geofisica Sperimentale (OGS) Trieste
• Istituto per lo studio degli Impatti Antropici e Sostenibilità in ambiente marino (IAS) – CNR Oristano
• Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale (ISPRA) sedi a Chioggia, Livorno, Milazzo

Comitati e commissioni internazionali

Istituti e ricercatori di diverse Nazioni si riuniscono poi in reti internazionali operando nell’ambito di grandi progetti, che richiedono anche sforzi finanziari importanti (hanno loro date pluriennali). Eccone alcuni (la prof non li nomina):

• International Council for the Exploration of the Sea (ICES)
• Mediterranean Science Commission (CIESM)
• General Fisheries Commission for the Mediterranean (GFCM) della FAO
• Scientific Committee for Antarctic Research

Alcuni progetti di ricerca internazionali

Gli ultimi due progetti hanno una più spiccata attenzione all’aspetto biologico:

• Census of marine life: progetto che implica grande censimento della vita marina. È stato condotto tra il 2001 e il 2010 e ha coinvolto circa 2700 ricercatori di oltre 80 Nazioni
• Millennium Ecosystem Assessment: grosso progetto internazionale condotto tra il 2001 e il 2005 e ha coinvolto più di 1300 esperti e ricercatori di tutto il mondo. L’obiettivo era quello di definire lo stato degli ecosistemi e di valutare le conseguenze dei cambiamenti degli ecosistemi sul benessere umano. Nel progetto è stata data una particolare attenzione agli ecosistemi marini e si sono elaborate strategie per migliorare la conservazione e l’uso sostenibile

L’ultima grande sfida nello studio del mare è l’esplorazione delle grandi profondità. Solo una piccolissima parte delle profondità marine è stata esplorata. Ci si aspetta di trovare sempre nuove specie man mano che aumenta la conoscenza di questi ambienti.

Evoluzione tecnologica per l’esplorazione di grandi profondità

Evoluzione rapida. Batisfera di Beebe: sfera con cui William Beebe nel 1932 raggiunse una profondità di 900 m; Neanche 30 anni dopo (1960), con il batiscafo Trieste due uomini poterono raggiungere quasi 11.000 m di profondità nella fossa delle Marianne; Da allora l’impresa con un uomo a bordo è stata ripetuta una volta soltanto, nel 2012, quando il regista Cameron raggiunse la massima profondità delle fosse delle Marianne a bordo di un batiscafo monoposto (Deepsea Challenger); Sommergibile Alvin: a bordo di questo sommergibile nel 1977 furono scoperte le sorgenti idrotermali profonde, un ecosistema fino ad allora sconosciuto, come erano sconosciute tutte le specie che lo popolavano.

L’esplorazione degli ambienti profondi continua oggi. Come? Si avvale ancora di sommergibili:

• Johnson Sea Link: sommergibile con cui è stato possibile filmare e fotografare diverse centinaia di specie, alcune ancora sconosciute, che sono state per la prima volta viste nel loro ambiente e che in precedenza erano state raccolte in superficie o pescate ma notevolmente deteriorate per effetto della pressione
• ROV (remote operated vehicle): robot semi-autonomi, legati con un cavo all’imbarcazione
• AUV (autonomous underwater vehicle): mezzi completamente autonomi. Possono raggiungere in completa autonomia anche profondità elevate

Sia ROV che AUV sono dotati di apparecchiature, a volte anche molto sofisticate: bracci preleva-campione, telecamere, sonde per la misura dei parametri ambientali. L’uso di questi strumenti uniti al rilevamento remoto da satellite o da aereo ha aumentato moltissimo la capacità di misura e di analisi, in ambienti particolarmente difficili da studiare (in particolare in profondità).

Oceanografia descrittiva

Oceani e mari

Il nostro pianeta viene chiamato “Pianeta blu”: infatti non è solo l’unico Pianeta del Sistema Solare ad avere un Oceano, ma questa grande distesa d’acqua è largamente predominante sulle terre emerse.

• Oceani: 71% area totale (321 milioni di km²)
• Terre emerse: 29% area totale

Gli Oceani svolgono un ruolo cruciale per la vita sulla Terra. In particolare intervengono nella regolazione atmosferica e nella regolazione climatica. La distribuzione di acque marine e di terre emerse non si equivale nei due emisferi:

• Emisfero Sud: la sua superficie è coperta per l’81% da oceani e mari
• Emisfero Nord: oceani e mari ne coprono il 60%. Alle latitudini comprese tra 45° e 70° prevalgono le terre emerse

Distribuzione dell’acqua sulla Terra

In termini di distribuzione dell’acqua sulla Terra vediamo che le acque superficiali sono rappresentate, in termini di volume totale, per il 98% da acque marine. Il mare non solo ricopre la maggior parte della superficie del Globo, ma risulta anche il più vasto habitat sul nostro Pianeta (se ci esprimiamo in termini di volume totale del Pianeta stesso). Infatti sulle terre emerse le zone abitate non superano di solito le poche decine di metri al di sopra della superficie terrestre e in media non più di un metro al di sotto di essa. Gli Oceani invece sono abitati dalla loro superficie fino alle massime profondità. Il mare costituisce oltre il 99% dello spazio che sul nostro Pianeta è colonizzato da forme viventi.

Le acque marine vanno a costituire tre principali bacini oceanici, separati da masse continentali. Questi tre bacini rappresentano quasi il 90% della superficie marina globale. L’Oceano Pacifico, in particolare, ricopre una superficie che è circa il doppio di quella degli altri due Oceani (Atlantico e Indiano). La rimanente superficie marina è costituita, alle alte latitudini (Emisfero Nord) dal Mare Artico, mentre nell’Emisfero Sud troviamo le acque polari del cosiddetto Oceano Australe, definito altrimenti anche Mare Antartico.

Sulla base di quali elementi distintivi possiamo parlare di Oceano o di Mare?

• Un primo elemento è rappresentato dall’estensione, maggiore per gli Oceani e molto minore per i Mari. Gli Oceani sono divisi dalla presenza di continenti, i Mari sono circondati da terre emerse. I Mari sono sostanzialmente parti di Oceani e possono essere ulteriormente differenziati sulla base di caratteristiche oceanografiche particolari. Possiamo ad esempio parlare di mari interni. I mari interni sono quelli che comunicano con gli Oceani attraverso stretti. Un tipico esempio è il Mar Mediterraneo, che comunica con l’Oceano Atlantico attraverso lo stretto di Gibilterra, ma anche il Mar Baltico, che comunica attraverso stretti con il Mare del Nord e quindi con l’Oceano Atlantico.
• I mari costieri sono quelli situati ai margini dei bacini oceanici. Ne è un esempio il Mare del Nord, così come per il Pacifico possiamo fare l’esempio del Mare della Cina.
• Ci sono poi dei bacini chiusi, chiamati mari, come ad esempio il Mar Caspio e il Mar Morto, che non hanno più nessuna comunicazione con gli Oceani. Sono residui di antichi mari e, proprio per il fatto di non avere più nessuna comunicazione con i bacini oceanici, hanno delle condizioni peculiari per quanto riguarda il tenore alino: il Mar Morto ha un’elevata salinità, mentre il Mar Caspio ha una salinità molto bassa.

Una distinzione tra Oceani e Mari può essere poi fatta anche sulla base delle caratteristiche dei fondi. Gli Oceani hanno un fondo basaltico, mentre nei Mari i fondi sono di roccia continentale granitica. Tuttavia sotto questo aspetto la distinzione tra Oceani e Mari non è sempre chiara. Esempio di eccezione: il Mediterraneo poggia in gran parte su fondi basaltici perché deriva da un antico Oceano (O. Tetide). In ogni caso gli Oceani hanno profondità medie maggiori rispetto ai Mari.

Se guardiamo questa immagine (dx) abbiamo una visione del Mare Artico e vediamo come sia circondato da terre emerse, rientra nella definizione che abbiamo dato di mari. Ma perché abbiamo parlato di “Oceano o Mare Antartico”? Possiamo parlare di Mare Antartico perché non è separato, come nel caso del Mare Artico, dalla presenza di terre emerse, ma è caratterizzato dalla connessione diretta con gli altri bacini oceanici anche se una particolare struttura di correnti che corrono tutt’intorno al Continente Antartico e che hanno temperature diverse a seconda della loro provenienza, vanno a costituire un fronte termico che rappresenta una vera e propria barriera fisica tutta intorno all’Antartide. Per questo particolare tipo di aspetto oceanografico, a cui viene dato il nome di Convergenza Antartica, l’Oceano Australe può essere chiamato anche Mare Antartico.