Biologia terrestre

BIODIVERSITÀ

Struttura degli ecosistemi terrestri.

L’ecosistema è un insieme interagente di comunità biotiche e

ambiente fisico circostante o abiotico (luce, precipitazioni,

temperatura, suolo, sostanze organiche e inorganiche). Si parla di

biosfera o ecosfera quando si fa riferimento a tutti gli organismi

viventi sulla terra e tutto l’ambiente fisico che con essi interagisce,

compresa l’energia solare e la dispersione termica nello spazio.

L’ecosistema è un sistema aperto che scambia energia e materia

con l’esterno (vedi immagine).

La conservazione degli ecosistemi garantisce la loro funzionalità e

stabilità, e la conservazione ottimale di tutte le specie che in essi

vivono.

L’ecologia vegetale: studia la componente vegetale degli

ecosistemi, le piante sono i principali organismi produttori e spesso

gli elementi fondamentali degli ecosistemi.

Esistono due filoni di ricerca sull’ecologia l’autoecologia, che

studia la relazione tra singole specie ed ambiente e la sinecologia,

che studia la relazione tra comunità e ambiente.

Si formano reti alimentari o trofiche:

- Rete di pascolo, che hanno origine dai vegetali, di cui si nutrono gli animali erbivori

pascolanti e infine i carnivori.

- Rete di detrito, che hanno origine dagli escrementi animali o da esseri viventi morti i quali

vengono degradati dai microrganismi.

- Ecologia vegetale: si occupa delle relazioni tra le piante stesse e l’ambiente che le ospita;

degli adattamenti ecologici, della distribuzione delle piante e delle caratteristiche strutturali,

funzionali e dinamiche delle comunità di habitat e biomi

Fattore limitante: qualsiasi fattore abiotico presente in quantità troppo piccole o troppo abbondanti

può limitare o arrestare la crescita della popolazione anche se tutti gli altri sono in un valore

ottimale.

Legge del minimo di Liebig: la crescita è controllata non dall’ammontare totale delle risorse

naturali disponibili ma dalla disponibilità di quella più scarsa.

Essa può essere applicata se le condizioni sono relativamente stabili, cioè quando, su un ciclo

annuale, i flussi medi di energia e materiali in entrata bilanciano quelli in uscita e se esiste

un’interazione dei fattori, cioè un’elevata concentrazione di alcune sostanze può modificare la

velocità di utilizzazione del fattore limitante stesso

Legge della tolleranza di Shelford: ogni organismo di fronte ai fattori ambientali ha un intervallo di

tolleranza compresi tra un minimo e un massimo entro cui si colloca il suo optimum ecologico.

Essa implica che ogni specie, per ogni fattore ambientale, ha un intervallo ottimale di crescita entro

il quale la popolazione prospera; che al di fuori di tali valori ottimali, esiste un intervallo di

tolleranza entro il quale la specie ha ancora possibilità di crescita ridotta o almeno di sopravvivenza

in attesa che si ripristino e condizioni ottimali; e che, oltre i limiti di tolleranza, per ogni fattore

ecologico, la specie non può esistere in un certo ambiente.

Optimum ecologico: valori ottimali di una condizione ambientale in cui una popolazione è più

abbondante e si riproduce con più efficienza, cioè la popolazione ha il suo massimo fitness

(successo riproduttivo).

I limiti di tolleranza o l’ampiezza ecologica di una particolare variabile ambientale sono i limiti

(superiore e inferiore) entro cui un organismo può sopravvivere.

Specie euroica: specie con grande ampiezza ecologica e quindi scarsa specializzazione

Specie stenoica: specie con ampiezza ecologica ristretta e una forte specializzazione.

Cambiamento del biotopo: le specie con ampia distribuzione cambiano il biotipo (complesso

ecologico in cui vive una determinata specie animale o vegetale) per mantenere costanti alcuni

fattori stazionali.

Compensazione dei fattori: le specie con distribuzione ampie possono essere presenti in ambienti

diversi grazie alla compensazione ecologica, le esigenze ecologiche della specie sono le stesse, ma

il variare di un fattore viene bilanciato da variazioni contrarie di un altro fattore.

Il Clima

Insieme dei fenomeni meteorologici che definiscono lo stato medio dell’atmosfera in una data

regione (osservati per un certo periodo di anni).

Il clima può essere diviso in: Macroclima → insieme dei fenomeni climatici caratteristici di una

regione molto vasta.

Mesoclima → insieme dei fenomeni climatici caratteristici di una regione non molto vasta.

Microclima → insieme dei fenomeni climatici caratteristici di una regione limitata, in qualche

modo differente dal clima della regione circostante.

Elementi del clima: radiazione solare (calore, luce; unica fonte di energia per i fenomeni

atmosferici), temperatura dell’aria, acqua (precipitazioni, umidità atmosferica), pressione

atmosferica e venti.

Fattori climatici: orbita della Terra, latitudine, longitudine, altitudine, distribuzione delle terre, dei

mari, delle correnti marine, distanza degli oceani, sistemi montuosi, idrografia, laghi, vegetazione e

uomo.

Climi tropicali = MEGATERME, temperatura mai sotto i 15°

1. Equatoriale = foresta pluviale, temperature superiori ai 25°, precipitazioni abbondanti e

uniformi durante l’anno

2. Tropicale = savana, due stagioni, secca simile al deserto, umida simile all’equatore,

temperatura 20°

3. Monsonico = giungla, secco da ottobre a giugno stagione secca.

Climi aridi = XEROFILE, precipitazioni inferiore a 250mm annuoi

1. Arido caldo= deserto, escursioni termiche giornaliere, anticiclone subtropicale crea area di

bassa pressione che crea l’aridità della zona

2. Semi-arido = steppa predesertica, temperatura media annua uguale o superiore ai 18°

(caldo) o inferiore ai 18° (freddo)

3. Arido freddo= deserto freddo, forti escursioni termiche annue

Climi temperati caldi = MESOTERME,

1. Subtropicale umdio = privo di stagione secca, precipitazioni tra 700 e 1500 mm e

temperatura media nel mese più caldo suoera i 22°, come Milano, Bologna, Venezia

2. Mediterraneo = lungo periodo di siccità estiva e inverni miti ma piovosi, il mare tempera il

clima carattarizzato da poche escursioni termiche giornalieri e annue.

3. Temperato umido = media mese più caldo sopra i 22°. Tipico della Cina sudorientale

Climi temperati freddi = MICROTERME, inverno miti ed estati fresche

1. Continentale umido = inverno lungo e freddo, con temperature massime in estate di 15

gradi, con punte a 30, precipitazioni da 500 a 700mm annui, foreste di latifoglie o taiga

2. Temperato oceanico, temperature annuali tra -5 e 15°, precipitazioni tra 1000 e 2000ml

foresta a latifoglie 2. continentale subartico=foresta a conifere

Climi polari = ECHISTOTERME,

1. Subpolare= tundra, elevate escursioni termiche annue, inverni rigidi fino a -50°, estate breve

e fresca media 10°, precipitazioni scarse.

2. Polare= gelo perenne, temperatura sempre inferiore ai 10°

3. Nivale = tipico catene montuose, vegetazione bassa, precipitazioni scarse, temperatura

inferiore ai 10°

Clima continentale vs oceanico: Continentale =forti escursioni termiche tra inverno rigido e estate

calda o tiepida, coltre nevosa in inverno ma le pricipitazioni sono limitate durante tutto l’anno, poca

umidità. Oceanico = mite durante tutto l’anno, precipitazioni abbondanti tutto l’anno.

Diagramma di Walter e Lieth: rappresentazione delle condizioni climatiche meteorologiche

ombrotermiche (il rapporto tra la somma delle piogge cadute con temperatura maggiore di 0°C in

un determinato numero di mesi e la somma di tali temperature, tra fasi di umido e secco. La

rappresentazione del diagramma di Walter e Lieth ha l' utilità di prevenire la intensità e la durata

della stagione fredda e l' eventualità del verificarsi di condizioni di gelo.

Precipitazioni rispetto al clima:

- tipo oceanico o marittimo con piogge uniformemente distribuite durante l’anno e ridotta

escursione termica

- tipo mediterraneo con massimo invernale e minimo estivo

- tipo equinoziale primaverile (max nella primavera) equinoziale autunnale (max autunno)

Circolazione generale: è generata dai raggi solari che

riscaldano con diversa intensità la superficie terrestre del

pianeta. Per riequilibrare il differente gradiente termico su

scala planetaria l'atmosfera terrestre spinge le masse d'aria a

spostarsi dall'equatore ai poli. Lo spostamento non è però

diretto, bensì intervallato da zone di bassa e alta pressione

semi-permanenti. La Circolazione Generale atmosferica è

suddivisa in tre celle di circolazione, tra loro confinanti, per

ciascun emisfero del pianeta.

Cella di Hadley, dalla fascia equatoriale a quella

tropicale, caratterizzata da,moti convettivi in cui l’aria

calda delle regioni equatoriali (bassa pressione) ascende

fino alla bassa troposfera e si sposta verso le medie

latitudini. Durante lo spostamento la massa d'aria si raffredda e ridiscende verso la superficie

terrestre in corrispondenza delle latitudini subotropicali, creando delle aree anticicloniche sopra

gli oceani di alta pressione tropicale. Giunta a bassa quota, la massa d'aria si sposta nuovamente

verso le basse pressioni equatoriali, tramite i venti alisei, e verso le basse pressioni subpolari.

Cella di Ferrel, caratterizzata da un flusso di correnti d’aria zonale, detti venti zonali o contro

alisei, che si spostano verso est per la forza di Coriolis, si estende sulle medie latitudini, dalla

zona di alta pressione tropicale le masse d'arie si spostano verso le basse pressioni subpolari

poste alle medie latitudini. Giunta alla zona di bassa pressione subpolare la massa d'aria ascende

nuovamente verso l'alto creando delle correnti d'aria di alta quota in direzione dei tropici e dei

poli.

Cella polare, si estende sulle alte latitudini subpolari fino al circolo polare artico. Le masse

d'aria situate sopra la zona di bassa pressione subpolare ascendono in alta quota e si spostano

verso le alte latitudini per ridiscendere a bassa quota nei pressi del circolo polare ( artico o

antartico ) in virtù della minore insolazione. Viene così a crearsi una zona di alta pressione

polare. Una volta giunta al suolo la massa d'aria sposta verso le zone di basse pressioni

subpolari, generando i freddi venti polari in bassa quota che si spostano da est verso ovest, detti

venti polari ( venti orientali ).

La radiazione solare

La vita sulla Terra dipende dall’energia fornita dal Sole, sotto forma di luce (energia per la

fotosintesi) e calore (crea le condizioni ambientali per vivere sulla Terra, determina il clima, esce

poi dalle piante, dagli organismi, dall’ecosistema e dalla biosfera).

Caratteristiche spettrali della radiazione solare: la radiazione solare è distribuita su un ampio spettro

di frequenze, comprese tra i 250 e i 3000nm; la massima emissione del sole si ha nel campo del

visibile, nel verde-azzurro, 460nm (legge di Wien).

Radiazione infrarossa: maggiore ai 750 nm, emana calore.

Radazioni UV: 10 - 380 nm, sono dannosi per i viventi.

Radiazione fotosinteticamente attiva PAR: 400-700 nm

Modificazioni della radiazione solare nel passaggio attraverso l’atmosfera

Lo spettro dell’emissione del sole, compreso tra 250 e 3000nm, è condizionato dalla temperatura

superficiale (6000°K), bassi valori di temperatura di colore corrispondono a tonalità calde, intorno

ai 2000°K corrisponde ad un colore arancione, mentre temperature più fredde corrispondono a

tonalità fredde.

Nel passaggio attraverso l’atmosfera la radiazione solare viene smorzata e modificata nella sua

composizione, la radiazione viene riflessa, diffusa e assorbita; al suolo arriva poco meno del 50%

della radiazione solare incidente.

Riflessione: è la deviazione della direzione di propagazione in linea retta di un’onda quando essa

incontra un ostacolo (corpo opaco) e viene riflessa, grazie alle molecole gassose dell’atmosfera,

dalle nuvole e dalla superficie terrestre.

Diffusione: è la deviazione in tutte le direzioni di un fascio di onde quando esso investe un ostacolo,

causata dalle piccole particelle presenti nell’atmosfera e dipende dalla lunghezza d’onda delle

radiazioni.

Assorbimento: è l’assorbimento dell’energia incidente da parte della superficie terrestre e

contribuisce al suo riscaldamento, in maniera variabile a seconda della latitudine e del tipo di

superficie. L’assorbimento avviene soprattutto nella troposfera da parte del vapor acqueo, della

CO , O e O . L’assorbimento è selettivo, le radiazioni ultraviolette (inferiori a 300nm), vengono

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assorbite totalmente dall’ozono e l’ossigeno presente nella stratosfera; la luce visibile (400-700nm)

è la meno assorbita, mentre l’infrarosso (maggiore a 7000nm) è assorbito nella troposfera dal vapor

acqueo, dalla CO , dalle nubi e dalle polveri; infine la radiazione infrarossa (superiore ai 2300nm)

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ha un quasi completo assorbimento.

La luce: la lunghezza d’onda della radiazione visibile è compresa tra 380-750nm, dove 400nm

corrisponde al violetto e 700 nm al rosso.

Variazione della radiazione solare al suolo: l’intensità della radiazione solare o irradianza incidente

in una particolare località dipende dalla radiazione solare (angolo di incidenza e lunghezza del

percorso attraverso l’atmosfera), da fattori astronomici e geografici (latitudine e inclinazione

dell’asse terrestre) e da fattori locali (topografia, caratteristiche della superficie, condizioni

atmosferiche).

Spettri di assorbimento dei pigmenti fotosintetici: l’energia solare viene catturata grazie ai pigmenti

fotosintetici, che assorbono la radiazione nel visibile (PAR). La clorofilla a è il pigmento

fondamentale della fotosintesi, ed è l’unico pigmento in grado di convertire l’energia luminosa in

energia chimica. Il suo spettro di assorbimento è nel colore blu-verde, con due picchi massimi, nel

blu (420nm) e nel rosso (660nm), e un minimo nel verde.blu a 500 nm.

Adattamenti delle piante alla luce: ogni pianta è adattata e caratterizzata da particolari esigenze di

luce con precisi valori ottimali e limiti di tolleranza (ampiezza ecologica). La necessità della luce è

definita fototemperamento.

Punto di compensazione della luce: rappresenta l’equilibrio tra il processo di fotosintesi e di

respirazione, varia a seconda della pianta (eliofila punto più alto, sciafila punto più basso).

Punto di saturazione della luce: descrive la quantità di luce che può assorbire al massimo un

cloroplasto, quindi la produzione di carbonio non può aumentare oltre.

Eliofite o lucivaghe: sono piante che necessitano di un’elevata illuminazione, tipo prato, siepi e

radure. Le piante eliofite possono mantenere elavati tassi di fotosintesi netta e crescita in presenza

di luce elevata ma non riescono a sopravvivere e crescere in condizioni di ombreggiamento.

Eliofite obbligate: concorrenzialmente forti solo in piena luce, come steppe, deserti, prati.

Eliofite facoltative: vivono bene in piena luce ma anche in mezz’ombra.

Sciafite o ombrivaghe: sono piante che necessitano di poco luce o luce diffusa, come piante

sottobosco, o versanti a Nord. Le piante sciafite permettono di ridurre il quantitativo di luce

necessario per sopravvivere e crescere e riescono a sfruttare al meglio la luce di debole intensità.

Ma hanno deboli o inesistenti capacità di fotosintesi con elevati livelli di luce.

Sciafite obbligate: concorrenzialmente forti solo in ombra, come sempreverdi equatoriali, boschi

ombrosi.

Sciafite facoltative: concorrenzialmente forti in ombra ma massimo sviluppo e condizioni ottimali

per fioritura con una certa disponibilità di luce, boschi temperati caducifogli.

Fenologia: studio e registrazione dei fenomeni evidenti e rilevanti della vita delle piante, come

gemmazione, fioritura, caduta foglie. Questi fenomeni sono influenzati da fattori interni (genetici,

ormoni, nutrienti) e da fattori esterni (temperatura, acqua, luce).

Fotoperiodo: numero di ore di luce giornaliera

Fotoperiodismo: comprende fenomeni periodici influenzati dalla durata del giorno, è legato alla

capacità di una pianta di percepire la durata del giorno.

Piante longidiurne: reagiscono solo se il periodo di luce giornaliero è maggiore di un valore soglia

critico, sono piante da giorno, sono nelle regioni di medie e alte latitudini. Fioriscono in primavera.

Piante brevidiurne: reagiscono solo se il periodo di luce giornaliero è inferiore ad un valore critico,

sono piante da giorno corto e vivono in regioni tropicali. Fioriscono in autunno.

Piante neutrodiurne: non sono influenzate dalla lunghezza del giorno, vivono in regioni tropicali

LAI: indice di area fogliare, rappresenta il potenziale di intercettazione della luce di una comunità

vegetale ed è importante per la stima della produttività primaria netta degli ecosistemi.

Azione del bosco sulla luce: nell’attraversare le chiome degli alberi la luce viene modificata sia in

termini qualitativi, poiché alcune radiazioni vengono assorbite più delle altre, che quantitativi,

perché una parte viene riflessa, una parte viene usata per la fotosintesi ecc) e dipende dalla specie

del bosco, specie eliofile (larice, betulla, pino silvestre) ne lasciano passare fino al 50% mentre

specie sciafile come il faggio ne lasciano passare dal 5 al 15%.

La Temperatura

La temperatura sulla Terra determina, assieme all’acqua, la distribuzione delle specie sulla Terra. La

temperatura della terra dipende direttamente dall’energia solare. Esiste un flusso di calore,

dall’oggetto più caldo all’oggetto più freddo. Il riscaldamento della Terra avviene soprattutto dalla

superficie terrestre e dalla radiazione solare, anche se in parte minore.

Irragiamento: la superficie terrestre assorbe l’energia solare, si scalda, diventa un colpo radiante,

che emette radiazioni ad onda lunga, soprattutto nell’infrarosso termico