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. La conservazione degli ecosistemi garantisce la loro funzionalità e stabilità, e la conservazione ottimale di tutte le specie che in essi vivono.

Ecologia vegetale

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 ha origine dai vegetali, di cui si nutrono gli animali erbivori pascolanti e infine i carnivori.
• Rete di detrito, che ha origine dagli escrementi animali o da esseri viventi morti i quali vengono degradati dai microrganismi.

L'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 le 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 e specie stenoica

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 ampia 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°:

• Equatoriale: foresta pluviale, temperature superiori ai 25°, precipitazioni abbondanti e uniformi durante l'anno.
• Tropicale: savana, due stagioni, secca simile al deserto, umida simile all'equatore, temperatura 20°.
• Monsonico: giungla, secco da ottobre a giugno stagione secca.

Climi aridi

Xerofile, precipitazioni inferiori a 250mm annui:

• Arido caldo: deserto, escursioni termiche giornaliere, anticiclone subtropicale crea area di bassa pressione che crea l'aridità della zona.
• Semi-arido: steppa predesertica, temperatura media annua uguale o superiore ai 18° (caldo) o inferiore ai 18° (freddo).
• Arido freddo: deserto freddo, forti escursioni termiche annue.

Climi temperati caldi

Mesoterme:

• Subtropicale umido: privo di stagione secca, precipitazioni tra 700 e 1500 mm e temperatura media nel mese più caldo sopra i 22°, come Milano, Bologna, Venezia.
• Mediterraneo: lungo periodo di siccità estiva e inverni miti ma piovosi, il mare tempera il clima caratterizzato da poche escursioni termiche giornaliere e annue.
• Temperato umido: media mese più caldo sopra i 22°. Tipico della Cina sudorientale.

Climi temperati freddi

Microterme, inverno miti ed estati fresche:

• 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.
• Temperato oceanico: temperature annuali tra -5 e 15°, precipitazioni tra 1000 e 2000mm, foresta a latifoglie.
• Continentale subartico: foresta a conifere.

Climi polari

Echistoterme:

• Subpolare: tundra, elevate escursioni termiche annue, inverni rigidi fino a -50°, estate breve e fresca media 10°, precipitazioni scarse.
• Polare: gelo perenne, temperatura sempre inferiore ai 10°.
• 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 precipitazioni 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 subtropicali, 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 controalisei, 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 3000 nm; la massima emissione del sole si ha nel campo del visibile, nel verde-azzurro, 460 nm (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 3000 nm, 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 CO₂, O₂ e O₃. L'assorbimento è selettivo, le radiazioni ultraviolette (inferiori a 300 nm), vengono assorbite totalmente dall'ozono e l'ossigeno presente nella stratosfera; la luce visibile (400-700 nm) è la meno assorbita, mentre l'infrarosso (maggiore a 7000 nm) è assorbito nella troposfera dal vapor acqueo, dalla CO₂, dalle nubi e dalle polveri; infine la radiazione infrarossa (superiore ai 2300 nm) ha un quasi completo assorbimento.

La luce

La lunghezza d'onda della radiazione visibile è compresa tra 380-750 nm, dove 400 nm 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 (420 nm) e nel rosso (660 nm), e un minimo nel verde.

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 elevati 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 corpo radiante, che emette radiazioni ad onda lunga, soprattutto nell'infrarosso termico.