Appunti esame ecologia

La formazione della Terra e l'atmosfera primordiale

La nostra Terra si è formata quasi 5 miliardi di anni fa. L’atmosfera primordiale era composta per lo più di H₂, CO₂, N₂, H₂S, H₂O, CH₄ e NH₃. L’atmosfera nel tempo è cambiata e si è arricchita di ossigeno. L’esperimento di Miller dimostra che le condizioni esistenti sulla Terra 4 miliardi di anni fa potevano portare alla formazione di sostanze organiche come acidi nucleici e amminoacidi. I componenti dell’atmosfera primordiale, sottoposti all’azione di scariche elettriche, che simulano i fulmini, reagiscono tra loro per formare sostanze complesse come amminoacidi e basi azotate che costituiscono i mattoni chimici della vita.

Si credeva di aver scoperto l’origine della vita.

Teorie e concetti ecologici

Olismo

Olismo: tesi secondo cui il tutto è più della somma delle parti di cui è composto. Questo principio generale è stato variamente articolato in diverse discipline. Un tipico esempio di struttura olistica è l’organismo biologico, perché un essere vivente, in quanto tale, va considerato sempre come un’unità-totalità non esprimibile con l’insieme delle parti che lo costituiscono.

Determinismo

Determinismo: concezione secondo cui in natura nulla avviene a caso, ma tutto accade sempre secondo caso e necessità. Il determinismo è associato alla teoria della causalità, sulla quale si appoggia.

Teoria dell’evoluzione di Darwin

Nel 1859 Darwin pubblica il libro “L’origine della specie” dove spiega la sua teoria dell’evoluzione basata sul concetto della lotta per la sopravvivenza.

Ipotesi Gaia

L'ipotesi Gaia è una ipotesi formulata per la prima volta dallo scienziato inglese Lovelock. Tutte le componenti del pianeta Terra si mantengono in condizioni idonee alla presenza della vita proprio grazie al comportamento e all’azione degli organismi viventi, vegetali e animali. La Terra mantiene l’omeostasi. L’omeostasi è la tendenza naturale al raggiungimento di una relativa stabilità, sia delle proprietà chimico-fisiche interne che comportamentali.

Fenomeni ambientali

Effetto serra

L’effetto serra è un fenomeno naturale da sempre presente sulla terra. Dall’effetto serra deriva la temperatura terrestre: senza l’effetto serra la temperatura terrestre sarebbe mediamente 30 gradi più fredda. I principali gas serra sono l’anidride carbonica, il metano e il vapore acqueo.

Riscaldamento globale

Il riscaldamento globale è il fenomeno di innalzamento della temperatura superficiale del pianeta, con particolare riferimento all’atmosfera terrestre ed alle acque degli oceani. Parte di questo aumento di temperatura è dovuto a cause naturali, come l’irraggiamento solare combinato con il naturale effetto serra dell’atmosfera, ma una parte importante del surriscaldamento è riconducibile alle attività umane.

Definizioni ecologiche

Biogeocenosi

Parte della biosfera caratterizzata da omogeneità di alcune rilevanti caratteristiche (atmosfera, vita vegetale e animale, condizione del suolo, minerali).

Ecologia ed ecosistema

L’ecologia è lo studio scientifico delle relazioni tra gli organismi e l’ambiente. L’ecologia non deve essere confusa con termini quali ambienti o ambientalismo. L’ambientalismo è attivismo con lo scopo dichiarato di proteggere l’ambiente naturale, in particolare dagli impatti negativi delle attività umane. L’ambiente è un luogo fisico definito nel tempo e nello spazio. Gli organismi interagiscono con l’ambiente nel contesto di un ecosistema. L’ecosistema è l’unità che include tutti gli organismi che vivono insieme in una data area (comunità biotica), interagenti con l’ambiente fisico e chimico (comunità abiotica) in modo che un flusso di energia unidirezionale porti ad una definita struttura biotica e a una ciclizzazione dei materiali tra viventi e non viventi all’interno del sistema.

Fattori abiotici e biotici

Esempi di fattori abiotici sono la luce, la terra, le rocce, l’acqua, il clima, la temperatura, la pressione... in poche parole: l’ambiente circostante tranne animali e piante. I fattori biotici, detti anche fattori biologici, sono quelli vitali, come ad esempio la presenza di specie viventi in competizione, le malattie e la disponibilità di cibo che costituiscono l’ecosistema. Possiamo anche dire che l’ecosistema è questa unità composta da biotopo e biocenosi dove il biotopo è l’ambiente fisico e la biocenosi è l’insieme degli organismi in una data area ovvero in un biotopo.

Flusso di energia nell’ecosistema

Gli organismi per sopravvivere hanno bisogno di energia. I sistemi ecologici sono sistemi aperti, vale a dire presentano sempre un ambiente di entrata (input) ed un ambiente di uscita (output). In questi sistemi la sorgente di energia fondamentale che determina la vita sul pianeta è la radiazione solare che è una fonte quasi inesauribile. I fotoni, quando entrano in contatto con l’atmosfera, vengono trasformati in un’altra forma di energia: il calore. I fotoni che raggiungono organismi vegetali vengono utilizzati nella fotosintesi (PP). La fotosintesi è un processo chimico per mezzo del quale le piante verdi e altri organismi come muschi, licheni, alghe e alcuni batteri (cianobatteri) producono sostanze organiche a partire da sostanze inorganiche.

Metabolismo delle piante

Le piante verdi superiori possono avere diversi tipi di metabolismo: C₃, C₄ e CAM. Il metabolismo C₃ presenta il massimo tasso fotosintetico per unità di superficie, la massima efficienza in condizione di luce e a temperature moderate; 400/1000 g di acqua per produrre 1 g di materia secca. Il metabolismo C₄ è tipico di piante adattate ad elevate intensità di luce e di temperatura; <400 g di acqua per 1 g di materia secca. Il metabolismo CAM è tipico di piante adattate ai climi aridi (come le piante succulente che hanno rapida fioritura). Tutta la vita sulla Terra si basa quindi sul carbonio. La fonte originaria del carbonio è però la CO₂ dell’atmosfera. Solo gli autotrofi sono in grado di trasformare il carbonio della CO₂ in molecole organiche e tessuti viventi. Gli autotrofi si dividono in fotoautotrofi e in chemioautotrofi. I fotoautotrofi sono gli organismi che compiono la fotosintesi e che utilizzano l’energia solare per svolgere il processo di conversione della CO₂. I chemioautotrofi usano l’ossidazione di molecole inorganiche per convertire la CO₂. Gli animali invece derivano la loro energia dalla respirazione: la respirazione è un processo biochimico del metabolismo energetico, attraverso il quale l’ossidazione dei composti organici si completa con la riduzione.

Produzione negli ecosistemi

Gli ecosistemi presentano quindi una componente biotica e una componente abiotica. Si può descrivere la struttura biotica di un ecosistema attraverso la sua struttura trofica. Da un punto di vista trofico in un ecosistema possono essere distinti due strati: lo strato autotrofo e lo strato eterotrofo. La struttura trofica degli ecosistemi può essere rappresentata graficamente tramite: piramidi ecologiche, reti trofiche, compartimenti energetici.

Strati trofici

Lo strato autotrofo è lo strato superiore verde ed è costituito da organismi in grado di produrre sostanza organica a partire da materiale inorganico mediante fotosintesi o chemiosintesi. Lo strato eterotrofo è lo strato inferiore bruno ed è costituito da organismi che per il loro sostentamento si nutrono di sostanza organica, traendola da organismi vivi o dal materiale in decomposizione. Il flusso di energia attraverso un ecosistema inizia con l’assorbimento della radiazione solare da parte degli organismi autotrofi, un processo definito produzione primaria. La produzione primaria (PP) è la velocità con cui si forma biomassa autotrofa a partire da processi di fotosintesi e chemiosintesi. La biomassa è la quantità di sostanza organica vivente totale presente in un dato momento. La necromassa è invece la quantità di sostanza organica morta totale presente in un dato momento.

Produttività primaria

La produttività primaria lorda (PPL) è data dalla quantità totale di energia necessaria alla formazione di un’unità di biomassa, compresa la respirazione avvenuta nel corso della misurazione. La produttività primaria netta (PPN) è data dalla quantità totale di energia necessaria alla formazione di un’unità di biomassa tolto il consumo per la respirazione. PPN = PPL – R. La produttività di solito viene espressa come unità di energia accumulata per unità di superficie in un determinato periodo di tempo (kcal / m²·t); in alcuni casi può essere espressa come peso secco (g/m²·t). La biomassa è espressa in grammi di sostanza organica per metro quadrato (g/m²).

Produttività di comunità

La produttività primaria netta di comunità è data dalla produttività netta meno l’energia/materia utilizzata dai consumatori eterotrofi, rapportata all’intero anno solare. La produttività secondaria è la velocità con cui la biomassa autotrofa viene trasformata in biomassa eterotrofa.

Metodi di misura della produzione

• Metodo delle bottiglie chiare e scure. È il metodo più utilizzato per stimare la PPN negli ecosistemi acquatici. Questo metodo consiste nel misurare le variazioni della concentrazione di ossigeno disciolto in presenza e in assenza di luce. Un campione d’acqua (compreso il fitoplancton) viene incubato in un set di bottiglie chiare; la presenza di luce permetterà un accumulo di ossigeno. Se un analogo campione d’acqua viene incubato in un set di bottiglie scure, l’assenza di luce impedirà l’innescarsi del processo fotosintetico e l’ossigeno disciolto nell’acqua diminuirà. Alla fine del periodo di incubazione la differenza tra l’ossigeno misurato nella bottiglia chiara (fotosintesi + respirazione) e quello misurato nella bottiglia scura (sola respirazione) fornisce una stima della fotosintesi totale, o PPL;
• Metodo per incorporazione di ¹⁴C. Questo metodo non è molto diffuso in quanto il ¹⁴C è un isotopo radioattivo;
• Metodo per variazione di biomassa. È il metodo più veloce.

Le acque più produttive degli oceani sono quelle costiere meno profonde: le acque poco profonde permettono una più facile e abbondante risalita dei nutrienti dai sedimenti verso la superficie inoltre le acque costiere ricevono dagli ecosistemi terrestri un notevole apporto di nutrienti. Molti ecosistemi “artificiali” si basano su enormi quantità di energia ausiliaria, senza la quale non potrebbero sussistere. L’intervento dell’uomo nei sistemi agricoli, dall’irrigazione alla concimazione, dal controllo dei parassiti alla selezione genetica, si configura come energia ausiliaria che riduce i costi di mantenimento delle colture a favore di una maggiore produttività.

Turnover

Il turnover è il tasso di rinnovo della biomassa dato dal rapporto produzione/biomassa (1/t); il tempo di turnover è il tempo necessario alla rigenerazione della biomassa (t) dato dal rapporto biomassa/produzione.

Definizioni di popolazione, comunità e livelli di organizzazione dell’ecosistema

In ecologia una popolazione è un gruppo di individui della stessa specie che occupa una determinata area. L’insieme di tutte le popolazioni di specie diverse che vivono e interagiscono in un ecosistema viene definito una comunità. L’ecosistema così come l’individuo (atomo, molecola, macromolecola, cellula, tessuto, organo), presenta più livelli di organizzazione: individuo, popolazione, comunità, ecosistema, paesaggio, bioma, biosfera. Se l’ecosistema è il contesto nel quale gli organismi interagiscono con l’ambiente, anche tutte le comunità e gli ecosistemi sono collocati in un contesto spaziale più ampio: il paesaggio, cioè un mosaico di comunità ed ecosistemi su una porzione di ambiente terrestre o acquatico. Regioni geografiche contraddistinte da caratteristiche geologiche e climatiche simili sostengono tipologie simili di ecosistemi e comunità. I biomi sono ampie regioni caratterizzate da tipologie simili di ecosistemi. Il livello più elevato di organizzazione dei sistemi ecologici è la biosfera, il sottile strato che ricopre il pianeta Terra.

Proprietà collettive e emergenti

I sistemi gerarchici presentano caratteristiche generali proprie del sistema che non appartengono a nessuna delle sue componenti. Tali proprietà vengono definite proprietà emergenti. Esistono meccanismi omeostatici in grado di attenuare le oscillazioni del sistema. Le proprietà collettive corrispondono alla sommatoria degli effetti delle singole componenti (insieme dei comportamenti delle componenti). Almeno una proprietà emergente + serie di proprietà collettive = integrazione di sub-insiemi. Conseguenze delle proprietà emergenti sono: sistemi gerarchicamente integrati evolvono più rapidamente delle loro componenti; le interazioni tra le componenti non modificano la natura delle stesse ma danno origine a proprietà nuove ed esclusive; i sub-insiemi anche se separati conservano la capacità di riorganizzarsi ad un livello di complessità più alto.

Metodo scientifico e modelli

Gli ecologi investigano la natura usando il metodo scientifico.

• Il metodo scientifico parte dall’osservazione dei fenomeni naturali. L’osservazione può essere diretta o indiretta e deve essere ripetibile;
• Il secondo passaggio del metodo scientifico è la domanda: le osservazioni suscitano domande che cercano di spiegare il fenomeno osservato;
• Una volta individuata la domanda si formula un’ipotesi: un tipo di risposta conseguente alla domanda che stabilisce una relazione di causa ed effetto;
• Poiché l’ipotesi viene costruita su un rapporto di causa ed effetto, da essa possono nascere delle previsioni. Le previsioni devono essere verificabili;
• Il passaggio successivo è la verifica dell’ipotesi per vedere se le previsioni sono valide. Le previsioni derivate dall’ipotesi devono essere verificate tramite ulteriori osservazioni ed esperimenti (sul campo e in laboratorio). I dati raccolti in questi esperimenti devono essere a loro volta analizzati e interpretati per decidere se sono o non sono coerenti con l’ipotesi. Se i risultati dell’esperimento non sono coerenti con le previsioni, deve essere formulata una nuova ipotesi; se i risultati dell’esperimento sono coerenti con le previsioni, si sviluppa una teoria.

Dai dati ottenuti con le ricerche si sviluppano dei modelli. I modelli sono rappresentazioni astratte, semplificate di sistemi reali e forniscono una base per fare previsioni. I concetti scientifici non sono però immutabili. Caratteristica della scienza è quindi l’incertezza.

Stabilità dell’ecosistema

Nella definizione di sistema, e quindi di ecosistema, è insito il concetto di stabilità. Un sistema è stabile se l’interazione tra le sue componenti conferisce al sistema la proprietà di persistere nel tempo, fintanto che non sia soggetto a perturbazioni distruttive. La stabilità di un ecosistema risulta dall’equilibrio tra due componenti dette rispettivamente: resistenza e resilienza (o capacità di ritorno all’equilibrio). Negli ecosistemi (sistemi aperti) oltre a materia ed energia fluisce anche informazione, contenuta nel codice genetico degli organismi. Questa informazione “diffusa” permette all’ecosistema di esibire una capacità di resistenza e una capacità di resilienza. La capacità di resistenza è la capacità di resistere ad una perturbazione esterna; la capacità di resilienza è la capacità di tornare in condizioni di equilibrio dinamico (diverso dall’iniziale) al cessare della perturbazione. Un numero sempre maggiore di evidenze mostrano che difficilmente i due tipi di stabilità (di resistenza e di resilienza) si sviluppano entrambi, contemporaneamente. La cibernetica è una scienza di controllo dei sistemi (ecosistemi come sistemi aperti). Il termine feedback è un concetto che appartiene alla cibernetica. Esistono 2 tipi di controllo mediante feedback: abbiamo feedback positivi e feedback negativi.

Catena trofica e rete trofica

Una catena trofica è una serie di passaggi in cui gli organismi trasferiscono energia mangiando e venendo mangiati. L’energia trasferita viene indicata attraverso frecce. Una catena trofica inizia con un produttore e termina con un consumatore apicale o carnivoro. Le catene trofiche non esistono nella realtà. Una rete trofica è l’insieme di più catene alimentari. Le reti trofiche esistono nella realtà. Una catena trofica è organizzata in più livelli trofici. I livelli trofici sono comparti che raggruppano organismi in base al numero di passaggi con cui questi organismi ricavano energia dal sole. Il primo livello trofico è quello degli autotrofi (produttori primari), il secondo quello degli erbivori (consumatori primari), il livello successivo è quello dei carnivori (consumatori secondari) e infine si ha il livello dei superpredatori (consumatori terziari o apicali). I livelli trofici non sono infiniti, sono al massimo 5. Ad ogni livello trofico si ha perdita di energia. In uno stesso livello trofico troviamo quindi organismi che si cibano della stessa risorsa e organismi che si trovano alla stessa distanza trofica dalla sorgente originale (il sole). Alcuni consumatori occupano un solo livello trofico, ma molti altri, come gli onnivori, occupano più di un livello trofico (posizione incerta). L’interconnessione tra i livelli trofici è resa possibile dai decompositori. In ogni ecosistema esistono 2 catene alimentari: la catena del pascolo e la catena del detrito.