Appunti di Ecologia, Sandra Urbanelli

Ecologia

L'ecologia è lo studio della diversità degli organismi e delle interazioni tra loro e l'ambiente abiotico. Il suo obiettivo principale è acquisire una profonda conoscenza dei fenomeni fondamentali e dei fatti osservabili nel nostro pianeta. L'ecologia nelle sue applicazioni studia l'inquinamento, lo stato delle foreste, lo stato dei mari e delle risorse biologiche, la conservazione della natura, l'estinzione delle specie e gli effetti delle radiazioni nucleari sul mondo biologico e sulla salute. La mancanza di risorse impedisce la crescita di una popolazione, ecc.

Le attività antropiche stanno alterando il pianeta completamente; questo periodo di cambiamento recente nella storia della Terra viene riconosciuto come Antropocene. Nel nostro pianeta c'è una completa interdipendenza degli organismi, tutto si tiene in equilibrio. L'ecologia indaga sulla natura conflittuale o cooperativa, ne misura l'intensità e ne indaga la natura economica. L'ecologia solitamente come primo step utilizza un approccio descrittivo (fornisce mappe di distribuzione geografica e stima l'abbondanza di diverse specie). Il secondo step è un approccio funzionale che studia le risposte attuali delle dinamiche di popolazione ai fattori ambientali. Il terzo step è un approccio evolutivo che studia le cause, cioè i cambiamenti genetico-evolutivi, che hanno favorito tali dinamiche.

Componenti abiotiche e biotiche

Gli oggetti di studio dell'ecologia sono le componenti abiotiche (solide, liquide e gassose) e le componenti biotiche (organismi). L'ambiente si definisce come una porzione di spazio con caratteristiche tali da contenere la vita. La componente abiotica dell'ambiente viene indicata come mezzo. Il mezzo è dove si trovano gli organismi (es. mezzo acquatico). Il substrato si definisce come la superficie dove si poggiano gli organismi e si muovono.

L'ecologia è una scienza molto complessa perché tratta scale molto diverse tra loro e ambiti che non si conoscono molto (milioni di specie diverse, miliardi e miliardi di individui geneticamente distinti, che vivono ed interagiscono in un mondo vario e continuamente mutevole).

Scale ecologiche

L'ecologia opera su scale differenti: scale temporali (colonizzazione successive e continua di un sito da parte di popolazioni di determinate specie, ciò può essere studiato in una settimana o 14000 anni), scale spaziali (concentrazioni di anidride carbonica in atmosfera o studio dell'habitat di alcuni batteri come il canale alimentare di una termite) ed ecologiche (gerarchia biologica). Il nostro pianeta e la componente biotica sono ordinatissimi ed è per questo che si può parlare di gerarchia.

Lezione 2: La scala ecologica

La scala ecologica fa riferimento a quello che è in parte la scala biologica. La gerarchia è la scala biologica a cui si sovrappone ad un certo momento la scala ecologica. Perché la gerarchia ci spiega che c'è ordine nel nostro pianeta? Gerarchia vuol dire che ci sono diversi livelli e si parte dal più piccolo al più grande e sono uno dipendente dall'altro. La scala biologica parte dalla cellula. La cellula è un sistema che si riproduce e quindi viene considerata un'unità biologica. Sono ordinatissime perché all'interno esistono una serie di attività e ogni organello ha il suo compito e interagisce con gli altri organelli. Il livello gerarchico superiore alla cellula è il tessuto. Il livello superiore è una sommatoria ordinata (cellule specializzate) del livello inferiore.

Il tessuto è un insieme di determinate cellule che hanno delle specifiche proprietà. Se non ci fosse ordine il tessuto sarebbe composto da un insieme casuale di cellule (es. tessuto nervoso con sinapsi, cellule specializzate). Determinati tipi di tessuti compongono gli organi. L'organo ha delle proprietà emergenti che non ha il tessuto. L'organismo/individuo ha determinati organi e ha delle caratteristiche che emergono proprio in quel livello. L'organismo è il primo livello della scala ecologica. Un insieme di individui compone una popolazione. Una popolazione è un insieme del tutto casuale di individui e deve avere una distribuzione per età, che è una sua proprietà emergente, che gli consente di avere una capacità riproduttiva. Una popolazione ha un insieme di geni (pool genico) e all'interno ogni gene si presenta con due alleli.

Popolazione e specie

Che differenza c'è tra popolazione e specie?

La popolazione è costituita da individui interfecondi che occupano uno stesso ambiente. La specie è costituita da popolazioni interfeconde che occupano un determinato areale di distribuzione che è legato all'insieme delle popolazioni che fanno parte della stessa specie.

Perché la specie non è un livello gerarchico?

Perché gli ambienti popolati dalle diverse popolazioni possono avere caratteristiche abiotiche-biotiche diverse. La specie è costituita da una somma di popolazioni e non emergono proprietà. Mentre emergono proprietà per la popolazione ed è definita come l'unità evolutiva. Es. se ci sono dei cambiamenti ambientali molto violenti, come ad esempio una barriera geografica tra due popolazioni differenti, e una rimane isolata, a quella isolata agiranno le forze evolutive che cambieranno il pool genico della popolazione a tal punto da non riconoscere più le altre popolazioni da cui si è separata.

Comunità ed ecosistema

Il livello superiore alla popolazione è la comunità. La comunità è un insieme di popolazioni che appartengono a specie diverse. La comunità è la componente biotica di un sistema ecologico grande che è l'ecosistema. Le popolazioni devono appartenere a specie diverse e devono garantire il funzionamento di quel sistema (es. foresta pluviale). Cioè garantiscono i processi fondamentali per i sistemi naturali. Il livello superiore alla comunità fa parte solo della scala ecologica ed è l'ecosistema. In questo livello si mette a confronto la componente biotica con la componente abiotica e anche qui ci sono delle proprietà che emergono che non ha la comunità da sola.

Il nostro pianeta è ordinato e il fatto che esista una gerarchia in cui si possano individuare dei livelli gerarchici e ogni livello ha delle sue proprietà emergenti è una prova del fatto che i sistemi ecologici, cioè il nostro pianeta, è un sistema ordinato.

Sistemi biotici e abiotici

I sistemi sono due: sistemi biotici e sistemi abiotici. In linea di massima i sistemi che sono costituiti da materia noi li vediamo come qualcosa che compie lavoro. Per compiere un lavoro serve energia. Tutti i sistemi nel nostro pianeta tendono ad un equilibrio e tutti i sistemi devono seguire le leggi della termodinamica. L'equilibrio termodinamico è il massimo disordine che si può realizzare. I sistemi abiotici e biotici possono essere di tre tipi:

• Aperto (scambia materia ed energia con l'esterno),
• Chiuso (scambia solo con l'esterno),
• Isolato (non scambia con l'esterno).

Ogni volta che un sistema compie lavoro, cioè spende energia, quel quantitativo di energia si trasforma in calore. Nel metabolismo, le reazioni esoergoniche sono utilizzate per fornire energia a quelle endoergoniche tramite una molecola che trasporta energia: ATP (es. C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP + Calore).

Foresta pluviale tropicale

Come mai la foresta pluviale tropicale non è collassata?

La foresta pluviale ha un suo equilibrio interno. I sistemi biotici per essere ordinati devono per forza essere sistemi aperti caratterizzati da un flusso di materia in entrata e in uscita. Ci deve essere un continuo input di energia come il sole. Entra energia di un certo tipo per compiere lavoro e ne esce energia che è calore.

Energia nei sistemi biotici

I sistemi biotici che tipo di energia utilizzano?

Utilizzano solo energia chimica. Ad esempio una cellula compie tre tipi di lavoro: meccanico, di trasporto e chimico. Per compiere uno di questi lavori la cellula necessita di energia. L'energia è immagazzinata nelle molecole di ATP. È una molecola di adenosidifosfato (due molecole di acido fosforico) dove si aggiunge una terza molecola di acido fosforico. È una molecola molto instabile e quindi di facile utilizzo. L'ATP quando viene utilizzato per i lavori si trasforma in ADP poi ci sarà chi risintetizza l'ADP in ATP.

Metabolismo

Il metabolismo è diviso in due vie: una via produce energia che consenta la sintesi dell'ATP (vie cataboliche). Una volta che si è immagazzinato tanto ATP poi si possono attivare, nel metabolismo, vie anaboliche che servono per strutturare (sintetizzare le proteine, per l'accrescimento, etc.). Queste due vie si intersecano.

Flusso dell'energia negli ecosistemi

Tutte le reazioni del metabolismo sono delle reazioni redox, quindi un prodotto si ossida. Ad esempio la molecola del glucosio può dare origine ad anidride carbonica, acqua, ATP e calore. Da questa reazione si liberano 686 Kcal/mol e vengono utilizzate per la sintesi dell'ATP. Tutte le reazioni del catabolismo saranno delle reazioni esoergoniche cioè producono complessivamente energia. Mentre tutte le reazioni dell'anabolismo saranno endoergoniche. Tutti gli organismi necessitano che entri input di materia che è la molecola del glucosio.

Respirazione cellulare

Il processo della respirazione è il risultato evolutivo di milioni e milioni di anni. La respirazione consiste in una 1° fase fuori dai mitocondri che si chiama glicolisi e serve per dividere in due la molecola di glucosio. Alla fine della glicolisi si forma qualche molecola di ATP. Poi abbiamo il ciclo di Krebs all'interno delle creste mitocondriali. Con il ciclo di Krebs entrano molecole a 3 atomi di carbonio e alla fine del ciclo si ottiene anidride carbonica, acqua e si forma anche qualche ATP. Quello che invece dà veramente il risultato finale e che dà tante molecole di ATP è la catena di trasporto di elettroni attraverso la fosforilazione ossidativa. Attraverso la fosforilazione ossidativa si hanno molte molecole di ATP. Per capire se il nostro sistema è efficiente o no bisogna capire che cosa s'intende per efficienza.

Cosa vuol dire essere efficiente?

Compiere un lavoro con una finalità e con la minore energia (es. è più efficiente una 500 o una Ferrari? La Ferrari). Tuttavia quando si parla di efficienza e parliamo di sistemi biotici, abiotici e di consumo di energia è chiaro che ci riferiamo al concetto: quanta energia viene erogata al sistema e l'efficienza del sistema sta nel consumarla ma ottenendo il massimo lavoro.

Sistema biotico efficiente

Quando possiamo considerare un sistema biotico efficiente?

Per costruire una molecola di glucosio bisogna spendere 686 Kcal/mol. Il prodotto finale del 100% di energia che entra e che viene sfruttato dalle varie fasi (glicolisi, ciclo di Krebs, etc.) sarà il 35% che verrà trasformato nella sintesi delle molecole di ATP. E 35% vuol dire efficiente. Tutto il resto si trasforma in calore. Per una molecola di glucosio che viene degradata si producono tra 53 e 56 molecole di ATP sintetizzate. La respirazione da un punto di vista biochimico è un sistema molto efficiente.

Organismi aerobi e anaerobi

Gli organismi nel nostro pianeta si dividono in organismi aerobici o anaerobici. Gli organismi anaerobici sono tutti gli organismi che hanno la via catabolica che si ferma alla glicolisi, cioè la sintesi dell'ATP si ferma nella prima fase quindi hanno un apporto energetico molto inferiore. Gli organismi aerobi hanno la via respiratoria completa con la fosforilazione ossidativa ma esistono organismi che utilizzano per la respirazione l'ossigeno ma ci sono anche organismi aerobici che non utilizzano l'ossigeno (es. organismi che vivono in fanghi anossici) che però hanno una respirazione completa (utilizzano un altro accettore di elettroni finale con la fosforilazione ossidativa).

Glucosio e fotosintesi

Da dove si prende la molecola di glucosio?

Dalla fotosintesi. 3.5 miliardi di anni fa, tramite i batteri fossili, si hanno le prime testimonianze di respirazione cellulare a livello della glicolisi. 2.7 miliardi di anni fa i cianobatteri hanno cominciato, in maniera rudimentale, a realizzare il processo della fotosintesi (via anabolica). Si parte dall'anidride carbonica dove il carbonio inorganico in qualche modo si struttura in una molecola organica. Gli eterotrofi possono solo prendere la molecola di glucosio già strutturata mentre gli autotrofi sono in grado di sintetizzarla.

Fotosintesi

L'obiettivo della fotosintesi è produrre sostanza organica da sostanza inorganica utilizzando energia radiante del sole. Riesce a trasformare l'energia radiante del sole in energia chimica. La fotosintesi avviene attraverso i cloroplasti dove le molecole di clorofilla e altri pigmenti sono organizzati in due differenti tipologie di fotosistemi, fotosistema 1 e fotosistema 2. I fotosistemi sono ricchi di pigmenti. L'energia radiante del sole ha una sua materia corpuscolata, i fotoni. I fotoni hanno diversa lunghezza d'onda e solo i fotoni che hanno la lunghezza d'onda del visibile riescono ad incidere sull'elettrone di uno dei pigmenti dandogli talmente tanta energia da fargli aumentare l'energia cinetica e a far schizzare via l'elettrone.

Nello stesso momento in cui schizza l'elettrone, del fotosistema 2, un altro fotone, sempre della lunghezza del visibile, va ad eccitare un elettrone del fotosistema 1 dove abbiamo che una sola molecola del pigmento perde l'elettrone. Questo elettrone viene immediatamente catturato dalla clorofilla P700 (pigmento) che era ossidata e quando cade sintetizza ATP ed NADPH, necessarie per la sopravvivenza dell'organismo. Nello stesso momento l'elettrone del P700 viene catturato da un coenzima che da ossidato si riduce e sempre nello stesso momento l'energia radiante del sole scinde la molecola d'acqua (fotosistema 2) e gli atomi di idrogeno vanno a compensare i due elettroni che sono stati persi. Il prodotto di scarto della fotosintesi è l'ossigeno. L'ATP che si forma serve ad attivare il ciclo di Calvin.

Il ciclo di Calvin

Il Ciclo di Calvin è un processo metabolico ciclico che avviene nello stroma del cloroplasto e che utilizza ATP e NADPH, provenienti dalla fase di luce, per fissare CO₂ a una molecola a 5 atomi di carbonio e sintetizzare glucosio. Questo ciclo avviene indipendentemente dalla presenza di luce, perciò fa parte della fase oscura della fotosintesi clorofilliana. Più in particolare, il processo fissa una molecola di carbonio proveniente da una molecola di anidride carbonica gassosa su una molecola a 5 atomi di carbonio, il ribulosio-1,5-bifosfato, grazie ad un enzima chiamato RuBisCO; una serie di reazioni che coinvolgono idrogeni già disponibili nel NADPH₂ e provenienti dalla fotolisi dell'acqua permettono la sintesi, dalla cui scissione si ricavano glucosio e fruttosio.

Lezione 3: Produttori primari

I produttori primari, o autotrofi, sono i principali produttori di sostanza organica. Riescono ad allungare le catene proteiche già esistenti (unire un carbonio inorganico ad una catena organica preesistente) e questo vuol dire sintetizzare nuova sostanza organica. Il vantaggio adattativo, nelle piante, è avere un sistema antenna che consenta di captare i fotoni che sono utili per la fotosintesi quando la luce ne è povera. Le ore di luce dove ci sono meno fotoni sono molte di più di quelle con più fotoni (mezzogiorno). Se la luce fosse molto più ricca di fotoni, il sistema sarebbe inefficiente perché il sistema è adattato ad usarne solo una piccola percentuale.

Il RuBisCo è l'unico enzima che può cedere l'anidride carbonica nel ciclo di Calvin. Il RuBisCo ha un sito attivo che facilmente affinità sia per l'anidride carbonica ma anche con l'ossigeno. Quindi si può legare. Perché il RuBisCo ha affinità con l'ossigeno? Perché quando si è sviluppato questo enzima non c'era ossigeno. La scarsa disponibilità di acqua ha indotto gli organismi, per poter sopravvivere in determinati ambienti, di evolvere altri meccanismi di fotosintesi, di migliorarsi. Come si migliora? Limitando i danni della fotorespirazione perché la scarsa disponibilità di acqua impone che non si consumi acqua.

Gli organismi che dovevano adattarsi ad ambienti aridi dovevano consumare poca acqua quindi era necessario un meccanismo che catturasse l'anidride carbonica e che fosse efficiente. In quel momento è capitato che qualche organismo aveva a portata di mano un enzima, la PEP carbossilasi che affinità esclusivamente per l'anidride carbonica. Di generazione in generazione, la PEP carbossilasi si spostò in superficie dove prima si trovava il RuBisCO e che invece, nelle cellule sottostanti (cellule della guaina del fascio), fosse concentrato il RuBisCO. La PEP carbossilasi attraverso 2 o 3 meccanismi cede l'anidride carbonica alle cellule sottostanti dove non c'è ossigeno e di conseguenza il RuBisCO si prende molecole di anidride carbonica e innesca il ciclo di Calvin e avviene la sintesi della sostanza organica. Questo è un adattamento utilizzato.