Appunti Ecologia

PRIMO SEMESTRE

01.10.2020

ECOLOGIA: studio, con metodo scientifico, delle interazioni che determinano

l’abbondanza e la distribuzione degli organismi.

Gli organismi non hanno una tendenza evolutiva verso la perfezione; essi si

adattano alle condizioni ambientali in cui si trovano e man mano che queste

cambiano anche gli organismi si evolvono. Solo gli organismi più adatti

sopravvivono e si riproducono e sono quelli che hanno una fitness maggiore. Gli

individui con una fitness maggiore influenzano maggiormente il carattere delle

generazioni future e sono quelli che lasciano un maggior numero di discendenti

rispetto al numero lasciato da altri individui della stessa specie/popolazione.

Fitness: contributo relativo di ciascun individuo alle generazioni successive in

termini di caratteri ereditari.

La teoria della selezione naturale di Charles Darwin non è altro che una serie di

proposizioni:

-Gli organismi che costituiscono una specie non sono identici tra loro, ma possono

differire anche solo lievemente (es. nelle dimensioni/mole, nella velocità di

accrescimento, etc.);

-Una parte di questa variabilità è ereditaria;

-Il tasso di riproduzione di una specie è inferiore rispetto al tasso di riproduzione

massimale, questo perché alcuni organismi muoiono prima di potersi riprodurre e

perché, se gli organismi potessero riprodursi al tasso massimo invaderebbero

tutta la superficie terrestre a un certo punto;

-Individui differenti lasciano un numero di discendenti differenti;

-Il numero di discendenti è dato dall’interazione tra i caratteri dell’individuo e

l’ambiente in cui si trova.

I fattori storici sono sicuramente un fattore che influenza gli organismi. Tra i fattori

storici troviamo:

1. Deriva dei continenti: ha contributo alla dispersione e diversificazione dei pool

genetici delle specie; a causa del rapido cambiamento climatico, alcune specie

potrebbero non avere il tempo di adattarsi alle nuove condizioni e potrebbero

estinguersi.

2. Insularità: le specie che si trovano in zona insulari hanno caratteristiche

differenti rispetto a quelle che si trovano nei vari continenti. Si trovano spesso

endemismi ( specie che si trovano isolate in determinate regioni) . Le

caratteristiche differenti sono dovute a due fattori principali:

- la flora e la fauna sono limitate alla tipologia di progenitore che è riuscito ad

arrivare sull’isola;

-la velocità di variazione evolutiva può essere tanto alto o bassa per sorpassare in

importanza gli effetti dello scambio di materiale genetico tra la popolazione

insulare e la popolazione parentale sulla terraferma.

3. Rafting: dispersione tramite mezzi galleggianti.

4. Effetto del fondatore: a seconda del pool genetico detenuto dai fondatori si ha

una radiazione evolutiva.

5. Variazioni climatiche: uno dei fattori più importanti per quanto riguarda

l’abbondanza e dispersione degli organismi. Le modifiche climatiche possono

essere studiate tramite il polline fossile.

6. Episodi imprevedibili, come ad esempio una nave che si incaglia su una

scogliera e va a modificare le popolazioni di organismi che abitano la scogliera.

Gran parte delle modifiche che avvengono negli organismi sono comunque dovute

alla pressione selettiva determinata dall’ambiente. Questo porta alla sviluppo di

determinate strutture con le quali gli organismi possono avere fitness più elevate.

In base alle strutture si distinguono:

-Evoluzione convergente: sviluppo di strutture analoghe, simili per forma e

struttura ma di diversa derivazione;

-Evoluzione parallela: sviluppo di strutture simili per forma/funzione a partire da

strutture omologhe (derivanti da una struttura equivalente di un progenitore

comune). Es: molti mammiferi sono simili ai mammiferi placentati che hanno

colonizzato l’Australia.

Le condizioni ambientali possono agire anche all’interno di una stessa specie e

l’espressione di questi cambiamenti può essere sia nel fenotipo che nel genotipo

dell’individuo.

-Espressione fenotipica: le differenze sono visibili nel fenotipo ma non nel

genotipo di una specie/popolazione.

Esempio: alga bruna Kelp; nelle zone in cui le alghe sono sottoposte a moti ondosi

molto violenti, queste presentano un tallo più corto rispetto alle specie di alghe

che vivono in zone calme, in modo da essere più protette dallo

sradicamento/danneggiamento.

Esempio: girini; quelli più soggetti a predazione hanno una coda più grande e

colorata (struttura che permette maggiore sopravvivenza).

-Espressione genotipica: le differenze morfologiche sono dovute a differenze nel

codice genetico.

ECOTIPO: variazione della corrispondenza locale tra individui e l’ambiente. Le

differenze sono nette e dividono la popolazione in due gruppi; esempio: le

campanule che crescono in montagna sono più basse, con meno fiori e una

capacità rigenerativa più forte rispetto alle campanule che crescono in pianura.

ECOCLINE: variabilità graduale entro una popolazione con distribuzione continua;

esempio: Trifoglio che presenta un gene delegato alla produzione di un glucoside

cianogenetico e un altro che determina la presenza/assenza di lisozimi. Negli

omozigoti GL il cianuro viene prodotto e attivato e funziona da deterrenti per gli

erbivori. In climi più freddi questo non avviene perché le chiocciole (predatori)

diventano inattive.

POLIMORFISMO GENETICO: coesistenza nello stesso habitat di 2+ forme in

proporzioni tale che la più rara non possa essere mantenuta semplicemente da

mutazioni o immigrazioni ricorrenti. Il polimorfismo può essere transitorio (quando

c’è un cambiamento delle condizioni ambientali e una forma più adatta rimpiazza

una forma meno adatta) oppure può essere mantenuto attivamente.

Il mantenimento attivo può essere mantenuto in vari modi:

-Generazione omozigoti con fitness inferiore, a partire da eterozigoti che si

dividono secondo genetica mendeliana. Un esempio è dato dalla correlazione tra

anemia falciforme e la replicazione del Plasmodium della malaria: gli eterozigoti

sono protetti dall’infezione, gli omozigoti dominanti possono contrarre la malaria

se vivono in ambienti tropicali, mentre gli omozigoti recessivi sono più predisposti

alla morte dovuta ad anemia falciforme;

-Popolazioni polimorfe a livelli intermedi di gradienti ambientali

-Selezione densità-dipendente: individui che fanno parte di gruppi meno

abbondanti hanno fitness maggiore perché i predatori si concentrano su individui

più abbondanti

-Variabilità delle forze selettive su piccola scala: presenza di 2+ forme in uno

spazio ristretto in modo che si possano sfruttare le risorse dell’ambiente in ogni

suo punto e che almeno una forma possa sopravvivere se le condizioni dovessero

modificarsi.

*Melanismo industriale transitorio. Dominanza di una falena scura nelle zone

fortemente industrializzate. Si vide in Inghilterra durante la rivoluzione industriale.

Le forme con una più alta produzione di melanina erano meno sottoposte a

predazione rispetto alle falene chiare (wild type). Una volta che i livelli di carbone

utilizzati sono diminuiti, le forme più chiare sono tornate ad essere abbondanti.

La capacità di superare dei cambiamenti ambientali/biologici è tanto maggiore

quanto più ampia è la variabilità genetica all’interno delle singole specie.

02.10.2020

Ogni popolazione di individui è influenzata da 3 fattori:

-Condizioni ambientali

-Risorse

-Interazioni tra individui (della stessa specie o di specie diverse)

La principale differenza tra risorse e condizioni ambientali è che queste ultime

possono essere modificate ma non possono essere consumate.

CONDIZIONI AMBIENTALI.

Le condizioni ambientali sono rappresentate da fattori chimici e fisici che

influenzano il comportamento degli organismi viventi. Possono essere modificate

da fattori biotici ma non possono essere consumate, esaurite o rese indisponibili

per altri organismi. Ciascuna specie può sopravvivere, crescere e riprodursi in un

determinato intervallo di condizioni ambientali.

La temperatura (T) è la condizione ambientale più rilevante per quanto riguarda la

crescita differenziale degli organismi. Essa è legata a:

-Variazioni latitudinali-stagionali. Spostandosi lungo un gradiente di latitudine si

distinguono 5 fasce climatiche: fredde, temperate fredde, temperate calde,

subtropicali, tropicali. Le stagioni, invece, dipendono dall’inclinazione della Terra

rispetto al Sole. Le variazioni latitudinali e stagionali non possono essere separate,

le une sono collegate alle altre.

A queste variazioni si aggiungono quelle altitudinali e continentali:

1. Diminuzione di 1C ogni 100m nell’aria secca e di 0.6C nell’aria umida generato

dall’espansione adiabatica dell’aria. Queste variazioni si riflettono sulla zonazione

di flora e fauna, a cui contribuiscono anche fattori biotici come la competizione o

la predazione.

Le variazioni climatiche possono avvenire a livelli spaziali molto piccoli e prendono

il nome di variazioni microclimatiche. Esempio: la discesa di aria densa e fredda in

una valle può causare variazioni di temperatura molto grandi, ma anche

l’esposizione a nord/sud e caratteristiche topografiche possono generare

microclimi. La generazione di un mosaico termico aumenta l’eterogeneità di un

ambiente.

2. Il mare esercita effetto moderatore sulle temperature delle regioni costiere e

delle isole.

Le isoterme delimitano masse d’acqua la cui T non scende sotto il valore indicato.

Sono delle “barriere geografiche” e in molti casi gli ecosistemi che si trovano

lontani geograficamente sono più simili rispetto a quegli ecosistemi che si trovano

vicini ma in fasce termiche diverse.

La temperatura è un effetto più importante rispetto alla distanza geografica.

Se le isoterme si spostano si hanno fenomeni migratori e si modifica la

distribuzione delle specie. La variabilità all’interno delle zone climatiche è dovuta

a 3 fattori:

-Differenti velocità di riscaldamento di mari e terre emerse. Mari e oceani

trattengono calore, le zone costiere presentano inverni più miti rispetto a zona

che si trovano nell’entroterra.

-Tipo di vegetazione dominante: differenze tra foresta pluviale e deserto.

-Influenza di correnti oceaniche, masse d’acqua marina in movimento rispetto

all’acqua che le circonda. Possono essere calde o fredde e hanno un grande

effetto sulle zone costiere che bagnano.

3. Effetti confrontabili all’interno di masse di terre emerse (le aree nude e aride

sono soggetti ad estremi giornalieri e stagionali di temperatura maggiori di quelli

a cui sono esposte aree più umide (es. foreste)).

La Temperatura ha una grande influenza sul metabolismo degli organismi. Si

distinguono organismi:

-Omeotermi Endotermi: organismi che regolano la temperatura corporea

mediante la produzione di calore all’interno del loro corpo.

-Pecilotermi Ectotermi: organismi che regolano la temperatura corporea

ricorrendo a fonti di calore esterne, anche se spesso hanno una capacità

regolatoria limitata. Scambiano calore mediante conduzione, evaporazione,

irraggiamento, convezione, radiazione diretta, etc.

Il metabolismo è influenzato, oltre che dalla temperatura, anche da:

-Massa corporea: gli individui di massa più piccola hanno metabolismo più elevato

rispetto ad individui di massa elevata.

Equazione allometrica: [velocità metabolica]= a[massa corporea]^b

a è la velocità metabolica quando la massa corporea=1.

b è il coefficiente angolare ed è generalmente compreso tra 0.5-0.9. Il fatto che

b<1 indica che le specie con una massa corporea maggiore hanno un fabbisogno

giornaliero di energia proporzionalmente inferiore a quello delle specie più piccole.

-Tratti vitali: a parità di massa corporea, gli stili di vita degli organismi possono

influire sulle caratteristiche della velocità basale metabolica. Un omeotermo ha

una velocità basale di 25-30 volte maggiore rispetto a un peciloterme di pari

massa, che a sua volta ha una velocità metabolica di 8-10 volte rispetto a un

organismo unicellulare di pari massa.

Il tasso metabolico, o velocità metabolica, è la quantità di energia di cui un

organismo ha bisogno nell’unità di tempo (Watt).

Esempio: negli organismi aerobici il tasso metabolico è direttamente

proporzionale alla quantità di O2 consumata in un’ora (O2/h). La quantità di O2/h

consumata è misurata dal respirometro, una camera sigillata dotata di un punto

d’entrata e uno di uscita per O2.

08.10.2020

ECTOTERMI.

Organismi che regolano la loro temperatura corporea in base a fonti esterne di

calore.

Il loro tasso metabolico (capacità di sfruttare le risorse) aumenta con la

temperatura (relazione esponenziale). La relazione esponenziale viene descritta

con il coefficiente di temperatura Q10: aumento del tasso di consumo di O2 per

un aumento di 10C.

Si raggiungono valori soglia in cui T max= 23-24C, quindi il metabolismo ha una

capacità limitata di aumentare con la temperatura. Gli ectotermi metabolizzano

risorse lentamente a T basse e velocemente a T alte.

Esempio: dorifora della patata. La velocità di consumo di O2 aumenta con la

temperatura, in particolare aumenta di 2.5 volte per un aumento di 10C della

temperatura.

Il più importante effetto della temperatura sugli ectotermi riguarda la velocità di

sviluppo e accrescimento. A differenza degli endotermi, gli ectotermi necessitano

tempo fisiologico.

di una combinazione di temperatura e tempo definito Lo

sviluppo/accrescimento può fermarsi se la temperatura scende al di sotto della

soglia ideale per lo sviluppo/accrescimento.

Relazione Ectotermi-T estreme.

Alte T provocano:

-inattivazione e denaturazione degli enzimi,

-disidratazione che dipende dall’umidità (più l’umidità è bassa maggiore è la

probabilità di disidratazione),

-squilibrio del metabolismo (ad alte T le piante respirano più di quello che

fotosintetizzano e muoiono perché consumano i metaboliti più velocemente di

quanto li producano)

*Alcuni organismi riescono a sopravvivere grazie a forme di resistenza come

spore, cisti, semi.

Basse T provocano:

-formazione di cristalli di ghiaccio nelle cellule

-alta concentrazione di soluti e abbassamento del punto di congelamento

(fenomeno supercooling).

*Meccanismi di resistenza a basse T:

-produzione di sostanze antigelo come il glicerolo (nelle piante)

-acquisizione rusticità

-acclimatazione: spostamento della risposta fisiologica in seguito alla precedente

esposizione a temperature sub-ottimali.

ENDOTERMI.

Organismi che regolano la loro temperatura corporea producendo calore al loro

interno.

Mantengono una temperatura costante che si aggira tra i 35 e i 40C e tendono a

cedere calore all’ambiente esterno. La perdita di calore è moderata dalla presenza

di pelliccia, grasso, penne, etc.

Il fatto che possano regolare la loro temperatura corporea fa sì che gli endotermi

abbiano bisogno di un grande consumo di energia che deriva da una grande

quantità di cibo consumata.

-Risposte evolutive al cambiamento di T:

1. Regola di Allen (forma-latitudine): nei climi freddi (alte latitudini) si hanno

endotermi con estremità più corte e corpi più tozzi; la forma del corpo determina

la superficie corporea esposta e di conseguenza la quantità di calore disperso. In

climi freddi è vantaggioso avere un rapporto superficie/volume basso, in climi

caldi è più vantaggioso il contrario.

2. Regola di Bergman (massa corporea-latitudine): maggiori dimensioni ad alte

latitudini.

Il rapporto superficie/volume minore fa si che il calore venga disperso in quantità

più basse. Gli animali di piccole dimensioni sono avvantaggiati in climi caldi/aridi,

dove possono disperdere calore più velocemente.

-Risposte comportamentali a variazioni di T: gli organismi mobili possono variare il

loro comportamento per ridurre il rischio di mortalità causato da T molto elevate.

Nell’intertidale di scogliere rocciose, i gasteropodi occupano habitat differenti in

differenti stagioni. Le littorine vivono nella zona lata dell’intertidale e sono

soggette ad essicamento; durante la primavera e l’estate si aggregano negli

interstizi tra cirripedi dove le condizioni sono più favorevoli. In inverno sono

maggiormente dispersi.

Oltre alla temperatura, vi sono altri fattori che influenzano la distribuzione e

l’abbondanza degli organismi. Esempi sono:

-pH del suolo e dell’acqua: il pH può danneggiare direttamente o indirettamente

gli organismi, influenzando la disponibilità di nutrienti o la presenza di tossine.

Esempio: le piante non si accrescono a pH<4.5.

-Salinità: gli organismi devono mettere in atto meccanismi osmoregolativi che

regolino la concentrazione dei liquidi corporei. Gli organismi possono essere osmo-

conformi, quindi iso-osmotici rispetto all’ambiente, oppure osmo-regolativi.

Esempio: i pesci di acqua dolce sono iperosmotici rispetto all’ambiente esterno,

quindi l’acqua tende ad entrare e i Sali ad uscire. I pesci marini, invece, sono ipo-

osmotici rispetto all’ambiente e quindi l’acqua tende ad uscire e i Sali ad entrare.

-Idrodinamismo: tutti gli organismi marini che vivono in zone costiere sono

soggetti alle forze idrodinamiche generate da correnti, onde e maree. Questi

rispondono con adattamenti morfologici.

Esempio: la superficie del piede con cui le patelle aderiscono al substrato è

maggiore in zone sottoposte a forze idrodinamiche rispetto alle zone calme.

Possono rispondere anche con adattamenti fisiologici: crescita minore degli

individui in zone battute dalle ond