Basi di Ecologia

Ecologia

L’organizzazione strutturale e funzionale della materia vivente necessita di energia e materia inorganica.

Energia

Energia = capacità di svolgere un lavoro la materia vivente dovrà svolgere dei lavori, si deve organizzare strutturalmente e poi fare qualcosa.

L’energia si può presentare in tante forme diverse, alcune in particolare importanti per la materia vivente:

• Energia radiante → energia veicolata dalla radiazione elettromagnetica solare (luce). Questa viene trasformata in altre forme di energia
• Energia cinetica → associata al moto
• Energia interna (calore) → associata alla velocità degli atomi e delle molecole
• Energia potenziale gravitazionale → associata alla posizione nel sistema gravitazionale (più in alto, più energia)
• Energia chimica → contenuta nei legami molecolari

Energia elettromagnetica solare

Energia elettromagnetica solare (energia radiante) rende possibile la presenza delle altre forme di energia, che sono energie derivate.

Qualunque corpo con T > 0 assoluto (-273,15 °C = T minima possibile teorica di un qualsiasi sistema termodinamico) irraggia energia, che si definisce radiazione → energia viene trasmessa tramite onda elettromagnetica, che può avere una qualità bassa o alta. Come tutte le forme di energia queste onde possono compiere lavori, se la qualità è alta il lavoro sarà alto e viceversa se è bassa.

• Più la lunghezza d’onda è corta, maggiore sarà la sua energia
• Più la lunghezza d’onda è lunga, minore sarà la sua energia

Infatti, i raggi gamma sono pericolosi perché hanno un contenuto energetico molto elevato e possono modificare le strutture delle molecole biologiche.

L’energia elettromagnetica, in particolare quella solare, può essere descritta in termini quantitativi con uno spettro elettromagnetico → quantità dell’energia sulle ordinate e qualità dell’energia sulle ascisse, in termini di lunghezza d’onda.

Leggi della termodinamica

La materia vivente ha bisogno di energia e deve rispettare le due leggi della termodinamica (relative al trasferimento dell’energia):

• I^ legge = L’energia non può essere né creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma all’altra. → Es. luce (sole) → calore (evaporazione) → gravitazionale (nuvole) → cinetica (pioggia)
• II^ legge = Le trasformazioni dell’energia non sono mai completamente efficienti: esse comportano una parziale dissipazione sotto forma di calore.

Quindi:

• Quando viene usata energia questa si trasforma in un’altra forma di energia e si ha la perdita di parte di questa sotto forma di calore, non più utilizzabile perché troppo dispersa.

Entropia = disordine → tutti i sistemi naturalmente tendono a perdere il loro ordine interno. Il processo spontaneo si realizza liberando tutta l’energia del sistema in calore, ovvero in entropia. Con entropia si definisce la quantità di energia in un sistema non disponibile per compiere lavoro.

Es. partendo dal Glucosio (ha energia interna) spontaneamente il sistema perde la sua energia interna, viene dissipata all’esterno sotto forma di infrarosso (entropia), quindi come energia termica.

• Il processo spontaneo si realizza solo verso un aumento di entropia. Un processo inverso può essere possibile solo compiendo un lavoro (es. energia della luce solare per ridurre l’entropia nella fotosintesi → H2O + CO2 = C6H12O6 è possibile solo applicando energia).

Tutta la materia vivente sono dei sistemi ordinati (molecola, cellula, organismo, popolazione, comunità, ecc.) che per essere organizzati hanno bisogno di energia, quando non c’è più si torna al disordine → quando un organismo muore va incontro ad un processo spontaneo → decomposizione → i legami chimici si rompono, l’energia rilasciata si vede come infrarosso.

Paradosso → per mettere in ordine un sistema biologico devo compiere un lavoro, che comporta una produzione di entropia del sistema. La vita doveva dar luogo a strutture biologiche ordinate → lo si può fare, ma ogni volta che si mette ordine, si crea disordine (entropia).

• La vita è un processo anti-entropico che riesce a “buttare fuori” dal sistema l’entropia.
• Il sistema terrestre si mantiene con un elevato ordine interno, espellendo il disordine nell’universo → l’entropia dell’universo sta aumentando.

L’universo è molto più freddo rispetto alla nostra atmosfera, per questo possiamo scaricare all’esterno l’infrarosso → se il sistema terrestre diventasse isolato non si potrebbe scaricare l’entropia all’esterno → effetto serra = effetto per cui la terra viene mantenuta isolata dall’universo.

Equilibrio nei sistemi biologici

I sistemi biologici presentano condizioni strutturali e funzionali che si mantengono nel tempo, sono in equilibrio → Equilibrio descrive le condizioni di un sistema nel tempo, misurato attraverso lo stato di un suo elemento (strutturale) o di un suo attributo (funzionale) durante uno specifico periodo di tempo. Si possono riconoscere due forme di equilibrio che descrivono lo stato di un sistema nel tempo:

• 1. Equilibrio di stato stazionario: nel tempo il sistema presenta caratteristiche strutturali e funzionali (es. nostro peso in Kg o nostra T) → valori che si mantengono su una situazione media, possono oscillare nel tempo, ma si mantengono in uno stato stazionario medio, lontano da uno 0. Per far ciò serve un lavoro metabolico.
• 2. Equilibrio termodinamico: condizione nel quale il sistema ha raggiunto il massimo disordine di entropia spontaneamente (es. individuo muore, i valori si allontanano dal valore iniziale, tutti i valori cambiano spontaneamente e raggiungono una situazione stabile = quando il corpo sarà completamente decomposto).

In biologia, equilibrio termodinamico significa morte = perdita di tutti gli attributi metabolici.

La vita adotta due strategie per mantenere gli organismi lontani dall’equilibrio termodinamico, per mantenere il sistema ordinato e quindi vivo:

• Resistenza → es. quercia di fronte a un disturbo mantiene le caratteristiche strutturali e funzionali, anche se cambiamo un qualsiasi attributo, esempio se c’è molto vento. Questo fino ad un certo punto, quando le caratteristiche funzionali e strutturali cambiano, fino alla morte dell’individuo. Implica la capacità di opporsi ad un disturbo.
• Resilienza → il sistema di fronte un disturbo cambia facilmente di stato, es. canna di bambù di piega col vento.

Resistenza = misura dello scostamento del valore dell’aspetto strutturale o funzionale misurato (sull’asse y).

Resilienza = tempo necessario per recuperare dopo un disturbo (sull’asse x). Implica la capacità di recupero.

Un altro esempio → un bambino usa la resilienza, un adulto usa la resistenza. Uscendo al freddo, la temperatura corporea dell’adulto si mantiene fino ad un certo punto, quella di un bambino scende molto più velocemente.

Flusso di energia

Flusso di energia nel sistema terrestre: il sistema terrestre è condizionato da un flusso di energia sia verso l’interno che verso l’esterno, ma significa che c’è un lavoro, cioè il sistema cambia di stato, da disordinato diventa ordinato.

La quantità (asse x) e la qualità (asse y, lunghezza d’onda) dipende dalla temperatura del corpo che irraggia energia → es. sole molto caldo e terra più fredda → entrambi questi corpi irraggiano energia, però guardando i due spettri elettromagnetici vediamo che sono diversi:

lo spettro del sole è spostato verso lunghezze d’onda basse, lo spettro dell’energia irraggiata dalla terra è verso lunghezze d’onde più alte.

• Più caldo è il corpo, più l’energia si sposta verso lunghezze d’onda più basse → qualità maggiore → compiono lavoro maggiore

Questa è l’unica fonte di energia che abbiamo a disposizione sulla terra = spettro elettromagnetico solare.

Si vede che all’ingresso dell’atmosfera terrestre lo spettro solare è diverso rispetto a quello a livello del mare, che è più basso.

Presenta una diversa lunghezza d’onda, di cui a noi interessa: UV, visibile, infrarosso (da lunghezza d’onda maggiore a minore).

UV, visibile e infrarosso

• UV (Ultravioletto) = lunghezza d’onda molto corta → capacità di compiere lavoro molto alta = è capace di far cambiare di stato un sistema (es. modificazione struttura del DNA).

Arriva poco UV alla superficie terrestre, perché man mano che passa l’atmosfera si riduce → nell’atmosfera troviamo O2 e O3 (ozono) → l’unico modo per bloccare l’energia è fargli fare un lavoro, perché in questo modo si trasforma in un’altra forma → Ciclo dell’ozono = O2 e O3 fanno compiere un lavoro ciclico all’UV → UV colpisce una molecola di O2, scindendola in due atomi che a loro volta si combinano con altre molecole di O2 formando molecole di O3. Anche l’ozono per effetto dei raggi UV si divide in O2 e O → tutto questo in modo ciclico = facendo questo lavoro l’UV si “degrada”.

Questo avviene a livello dell’ozonosfera (24 km di altezza) = O2 + O3 con T più alta perché abbiamo l’infrarosso che viene liberato dall’UV degradato e che poi viene buttato nell’universo.

Abbiamo anche gas che interferiscono con l’ozono, es. CFC → l’UV libera un atomo di Cl che va a distruggere l’ozono (buco nell’ozono → sono stati banditi composti con CFC, quindi il buco nell’ozono si sta ristabilendo).

• Spettro del visibile = i fotoni del visibile entrano nell’atmosfera e la passano, anche lo strato di ozono. Corrono fino a quando non sbattono contro un corpo possono avere tre destini:

1. Raggio incidente viene riflesso = l’energia elettromagnetica incide e viene riflessa; il fotone continua a muoversi sempre come energia elettromagnetica e con la stessa lunghezza d’onda, se non che viene leggermente modificata dal corpo su cui sbatte. Il fotone può finire poi sulla nostra retina → dà un segnale che viene codificato dal SNC e ci consente di vedere l’oggetto. La lunghezza d’onda è leggermente modificata e a seconda della modifica cambia il colore (dipende anche dal materiale dell’oggetto su cui rimbalza il fotone).

Es. l’erba è verde perché riflette quella quota di luce.

2. Il fotone può sbattere contro il corpo e non essere riflesso, ma mette in movimento le molecole del corpo, cioè viene assorbito da esso. L’energia elettromagnetica della lunghezza del visibile viene trasformata sotto forma di energia cinetica che comporta un aumento della T → la vibrazione degli atomi e delle molecole del corpo determina calore = infrarosso.

3. Se il corpo non è opaco, ma trasparente, i fotoni in parte vengono riflessi e in parte continuano a correre all’interno del corpo finché non sbattono contro qualcosa.

La quota che viene riflessa da alcune superfici, sempre come energia elettromagnetica, si definisce albedo → il fotone continua a correre sulla superficie terrestre, come nell’oggetto trasparente → ad esempio acqua, finché trova corpi → si trasforma in energia cinetica determina la produzione di energia termica = infrarosso.

• Infrarosso = fa un percorso inverso rispetto ai fotoni, lascia il corpo, va in atmosfera e torna verso lo spazio extraterrestre, ma il vapore acqueo (nuvole) è opaco all’IR, quindi il vapore acqueo rallenta la sua uscita = questo fa sì che l’IR ristagni in atmosfera prima di uscire → se non ci fossero le nuvole la T terrestre sarebbe circa - 20/-50 °C non compatibile con la vita quindi non è tanto il sole stesso che scalda la terra.

Distribuzione dell’energia sulla Terra

La terra è rotonda e composta da diversi materiali (ghiacci, acqua, terra) → determinano che l’angolo di incidenza dei fotoni cambi → quindi cambia l’albedo → cambia leggermente la lunghezza d’onda, dando colori diversi alla materia, sia a seconda della materia sia a seconda dell’angolo di incidenza.

Ipotizzando l’energia elettromagnetica solare come dei parallelepipedi e dal momento che la Terra è tonda → angolo di incidenza cambia a seconda della latitudine → man mano verso i poli la luce è più inclinata → comporta che dove il flusso cade perpendicolare (equatore) l’energia interesserà una superficie ridotta, quindi con densità di energia più elevata → il contrario avviene ai poli = la stessa quantità di energia si espande per una superficie più ampia, quindi abbiamo densità di energia minore → per questo ai poli fa più freddo.

Nelle 24 h la terra ruota su sé stessa → consente all’energia di interessare tutta la superficie terrestre.

Inoltre ruota attorno al sole, con asse di rotazione leggermente inclinato (circa 23°) → se l’asse terrestre non fosse inclinato sul piano dell’ecclittica avremmo la situazione vista sopra → vorrebbe dire che nelle zone tropicali (equatore) farebbe sempre molto caldo e verso i poli sempre molto freddo → non ci sarebbero le stagioni.

Essendo inclinato abbiamo un momento in cui l’emisfero nord riceve raggi sempre più perpendicolari e quindi con densità maggiore = fa caldo (estate); l’emisfero sud riceve raggi sempre più inclinati e quindi fa freddo (inverno).

Durante i due giorni di equinozio il flusso di energia cade perpendicolare all’asse terrestre, ma dopo questi giorni per alcuni mesi abbiamo emisfero nord più rivolto verso il sole, per altri mesi sarà l’emisfero sud.

[Dal 21 marzo (equinozio) in poi l’emisfero nord sarà sempre più inclinato verso il sole, si scalda].

Se l’asse fosse più inclinato, la variazione delle stagioni sarebbe più rilevante → avremmo estati molto più calde perché i raggi sarebbero molto più perpendicolari e inverni molto più freddi.

• La variazione stagionale consente a tutti di poter usufruire dell’energia elettromagnetica solare (solo le due aree polari sono escluse).

Radiazione solare incidente agli equinozi (21 marzo – 21 settembre) = quando l’asse di rotazione terrestre è perpendicolare all’orbita della Terra intorno al sole.

I due solstizi sono dove cambia l’inclinazione:

Clima e fasce climatiche

Il flusso di energia definisce le fasce climatiche = Clima equilibrio tra flusso di energia elettromagnetica che entra ed energia che esce come infrarosso.

Le masse terrestri sono distribuite in modo irregolare → forte aggregazione di masse terrestri nell’emisfero nord, nell’emisfero sud troviamo più acqua → le variazioni termiche per la terra sono più rilevanti rispetto a quelle dell’acqua (per far cambiare T all’acqua dobbiamo dare molta energia, dovuto alle proprietà chimico-fisiche dell’acqua).

Le variazioni di T nelle stagioni sono molto più marcate nell’emisfero nord che nel sud per questo motivo.

Movimenti di aria → la radiazione solare incidente all’equatore riscalda l’aria → aria equatoriale calda e umida si alza → aria si raffredda in quota e rilascia acqua (condensa) e cade al suolo come precipitazione.

Una volta che l’aria è salita si muove in modo speculare verso i due poli, si crea una corrente d’aria verso il polo sud e verso il polo nord → sarà aria fredda e secca. Verso i trentesimi paralleli scende, così si scalda e aumenta la sua capacità di contenere vapore acqueo → queste due aree geografiche hanno clima caldo e secco (in tutto ce ne sono 4) → movimento definito Celle di Hadley che condizionano il clima dei trentesimi paralleli e dell’equatore.

• Nell’equatore abbiamo forti precipitazioni, circondato ai lati da due aree con aria calda e secca.
• Zona di convergenza intertropicale = punto in cui le due celle risultano adiacenti. Posizionata esattamente sull’equatore durante i due giorni di equinozio, perché all’equatore abbiamo l’energia massima in questi due giorni.

Dopo queste due celle ce ne sono altre due → le celle definiscono alternanza di fasce secche (30° paralleli) e fasce umide.

Celle di Hadley in alto, zona centrale è la zona di convergenza tropicale → picco massimo nella zona equatoriale e poi ci sono altri due picchi per le altre due celle. La zona centrale è quella che presenta la massima precipitazione, di fianco ci sono due zone con bassa precipitazione e poi di nuovo due zone con alta precipitazione.

Il picco di precipitazione è leggermente spostato all’emisfero sud e non coincide con lo 0 → il grafico è stato fatto quando nell’emisfero sud abbiamo estate e nell’emisfero nord l’inverno.

Spostamento della ITCZ → le variazioni di inclinazioni sono modeste all’equatore, la ITCZ si sposta un po’ a nord e a sud, ma non determina variazioni termiche rilevanti, quello che è importante è il cambiamento delle precipitazioni.

La zona intertropicale è caratterizzata da stagioni umide e secche → quando da noi è estate la zona intertropicale nord è umida, quando da noi è inverno è secca.

Esempio: Nairobi è sull’equatore → i periodi peggiori sono quelli degli equinozi perché si trova proprio sull’equatore.

Verso il 30° parallelo c’è la