Demoecologia

Demoecologia 1.3.2017

Human domination of Earth's ecosystems

Human population, la popolazione sta aumentando. Human activities portano alla modificazione, all'inquinamento attraverso la creazione di entità chimiche, l'utilizzazione e la modificazione della biodiversità del pianeta. Gli effetti finali macroscopici sono i cambiamenti climatici e la perdita della biodiversità. Questo fenomeno viene chiamato sesta estinzione di massa.

L'emissione totale antropogenica, cioè che si mette in relazione alle attività umane, di anidride carbonica è aumentata da poco più di zero fino ad arrivare a sei negli ultimi anni. Ventimila anni fa c'è stata l'ultima glaciazione, poi un susseguirsi di temperature calde e fredde hanno portato alla temperatura di adesso. Negli anni recenti sono state distrutte molte foreste e il pianeta ha subito una drastica deforestazione. Tra gli anni ottanta e novanta è aumentata così tanto da essere definita l'epoca nera della deforestazione. Le emissioni legate all'utilizzo dei combustibili fossili e le deforestazioni portano alla rovina del ciclo biogeochimico del carbonio.

Il ciclo biogeochimico, da componenti abiotiche a componenti biotiche, nel caso del carbonio il contenitore abiotico è l'atmosfera che contiene carbonio inorganico e viene preso dagli organismi per trasformarlo in carbonio organico. La fotosintesi delle piante prende il carbonio nell'atmosfera, gli oceani grazie al fotoplacton svolgono la fotosintesi, nella zona in cui la luce è più presente, il carbonio viene modificato all'interno dei microrganismi e una parte si sedimenta nei fondali.

Il ciclo dell'acqua è chiuso, quella che si ricrea è quella che evapora, ma non tutte le zone sono uguali, alcune tendono alla siccità più di altre, le zone aride con il riscaldamento tendono a diventare sempre più aride e le zone umide tendono a perdere più acqua.

Quando si bruciano combustibili fossili non si produce solo CO₂ ma essendo sostanze biogene contengono molecole biologiche modificate nel tempo. I combustibili fossili sono quindi ricchi di elementi che si ritrovano anche negli organismi, quindi producono ossidi di azoto, ossidi di fosforo e zolfo ecc. quindi in atmosfera vengono buttate tantissime sostanze. Queste molecole vengono buttate fuori anche da processi naturali ma soprattutto da industrie, automobili ecc. Nella troposfera, cioè la bassa atmosfera, è soggetta a movimenti convettibili.

Si formano moltissimi radicali liberi e alcune sostanze acidificanti, queste formazioni sono date dal movimento dei fotoni e sono sostanze inquinanti secondarie. Si forma anche ozono, che può essere buono o cattivo a seconda della posizione in cui si trova, infatti se rimane in alto va bene ma in basso essendo molto ossidante può creare molti problemi.

Le piogge acide creano una variazione del pH del terreno che mobilizza degli ioni tossici per le piante che in un pH più alto non entrano nelle piante e inoltre creano dei danni visibili come il danneggiamento delle foglie. Le piogge acide spesso si formano in zone lontane dall'origine dell'inquinamento. L'acidificazione interessa anche gli oceani. La barriera corallina è ricca di biodiversità e molte specie animali stanno nelle barriere coralline e le piogge acide le danneggiano.

I fertilizzanti prodotti con processi industriali vengono pompati nel terreno, negli anni sono aumentati in modo esponenziale i fertilizzanti utilizzati. L'agricoltura viene drogata anche attraverso altri metodi, infatti i PETS o anche i coleotteri che attaccano le coltivazioni, danneggiano l'agricoltura dando una perdita enorme del ricavo, quindi vengono usati strumenti per combattere questi agenti, vengono usate delle molecole chimiche che non danneggiano solo le PETS.

L'uso di molti fertilizzanti ha tanti effetti ma soprattutto il fatto che i fertilizzanti vengono portati via e finiscono nelle falde, nei laghi e negli oceani quindi portano ad atrofizzazione, cioè un incremento dei processi respiratori come un incremento della biomassa togliendo ossigeno.

Gli xenobiotici sono molecole estranee alla vita, cioè un insieme di molecole che noi abbiamo prodotto attraverso la chimica industriale ed hanno una struttura organica con gruppi di vario tipo molti sono idrocarburi ai quali per sostituzione o addizione si sono messi dei gruppi di cloro. L'uomo ha scoperto che questi composti organoclorurati sono importanti come insetticidi perché attraversano le membrane plasmatiche e sono molto stabili inoltre i gruppi sostituiti o addizionati danno delle particolari proprietà e compromettono il livello ormonale degli organismi, alcuni sono simili agli ormoni naturali quindi mimano i processi naturali, altri essendo simili si incastrano sui recettori per i veri ormoni bloccando il processo. Gli organo fosforici si legano ai recettori di membrana per l'acetil-colinaesterasi che favorisce l'idrolisi dell'acetil-colina che è un mediatore sinaptico.

Riduzione della biodiversità, cioè l'aumento del tasso di estinzione. La mobilità umana esalta la dislocazione delle varie specie. Ci sono molte specie invasive come alghe, piante o invasive. Per esempio il gambero rosso ha riempito alcune zone.

7.3.2017 - Popolazione

La popolazione è un gruppo di individui della stessa specie che vivono nella stessa porzione di habitat. La popolazione è un sottogruppo della specie. È riproduttiva poiché gli organismi sono impegnati in processi riproduttivi e scambiando geni tra di loro, la popolazione è un'unità evolutiva. I membri della stessa popolazione condividono le stesse condizioni ambientali. Quando si parla di fattori ambientali si considerano molte cose e possiamo considerarle divisibili tra fattori di tipo risorsa e condizione.

Per condizione si indica il clima e i fattori abiotici, sono quei fattori che determinano la funzionalità dell'organismo. La categoria delle risorse si intende quelle porzioni dell'habitat usate dall'organismo per funzionare come il metabolismo e la riproduttività, si tratta di cibo ma in senso più lato anche strutture dell'habitat che consentono all'organismo di rifugiarsi, risorse idriche ed anche le risorse riproduttive, cioè un partner riproduttivo. Gli individui della stessa popolazione stanno nelle stesse condizioni e utilizzano le stesse risorse, inoltre interagiscono tra loro attraverso relazioni biotiche di vario tipo, competizione, mutualismo ecc.

L'ecologia delle popolazioni è una delle varie parti dell'ecologia moderna, si parla di ecologia delle comunità, degli ecosistemi o quella degli organismi. L'ecologia delle popolazioni si può considerare un ponte tra l'ecologia degli organismi (o autoecologia) e quella delle comunità e degli ecosistemi (sinecologia). Gli obiettivi della demoecologia, ecologia delle popolazioni:

• Studiare la demografia delle popolazioni, una demografia biologica, perciò quello che in realtà considera è la densità delle popolazioni, cioè il numero di individui per unità di superficie o volume
• Studiare la struttura, cioè com'è composta, maschi e femmine, giovani e anziani. Distribuzione degli individui in classi di età, generi.
• Studiare la dinamica delle popolazioni e quindi come si modificano nel tempo e nello spazio.
• Come le condizioni e le risorse modificano le dinamiche della popolazione, la loro influenza sulle popolazioni.
• Come la dinamica risente delle relazioni tra gli individui della popolazione.
• È sempre presente una previsione, lo studio della popolazione ha l'obiettivo di prevedere ciò che accadrà in base a quello che è già accaduto.

Obiettivi applicativi

La demoecologia non è soltanto teorica, ha delle ricadute applicative molto forti. La demoecologia serve anche per studiare l'estinzione delle varie specie, quindi serve per capire cosa evitare prima di avere ulteriori danni. La demoecologia è molto impegnata nell'analizzare i fenomeni della biodiversità e le loro cause per proporre alcune soluzioni.

Predire l'effetto delle interazioni di una specie su un'altra è molto importante, per esempio gli effetti della predazione umana sulle popolazioni naturali. Studiare la deforestazione e che effetti avranno, quindi la modificazione dell'habitat. Inoltre il controllo biologico dei pesticidi in agricoltura quindi un'ottimizzazione dei farmaci. Via via che si sale nella catena trofica le sostanze che si trovano nei fitofarmaci si accumulano sempre di più perché non vengono metabolizzati, quindi gli individui che si trovano in cima alla catena trofica avranno maggior quantità di sostanze tossiche. L'uomo è comunque sempre un predatore di vertice quindi ci troviamo pieni di queste sostanze. Negli anni '60 ci sono stati i primi allarmi verso questi farmaci.

Prima ci occupavamo esclusivamente della salute umana mentre adesso ci occupiamo anche della salute delle varie specie, perché l'importante è che tutto l'ecosistema funzioni. Il concetto della lotta biologica sta nel fatto di utilizzare al posto dei farmaci la competizione tra organismi quindi utilizzare gli stessi organismi per distruggerne altri e quindi rendere il processo naturale. Agricoltura integrata, cioè una coltura in cui viene usata sia una lotta biologica che farmaci chimici. Per capire qual è la specie giusta per distruggerne un'altra devo capire che farmaci usare.

Metodi dell'ecologia

• Strumenti descrittivi, cioè densità e struttura della popolazione, tecniche di conteggio e metodi statistici che permettono di avere informazioni generali sulla popolazione.
• Strumenti sperimentali, esperimenti di laboratorio ma anche in condizioni naturali.
• Strumenti predittivi, tecniche di previsione per prevedere le future caratteristiche delle popolazioni, sono strumenti matematici.

1. Strumenti descrittivi

• Statici, censimento o campionamento. Il campionamento si fa quando non è possibile fare il censimento perché le aree sono troppo vaste, quindi prendo piccole zone come campione e le analizzo. Se l'habitat non è omogeneo ma è formato da sotto habitat si fa un campionamento stratificato. (SEMLPING, cioè campionamento). Le unità studiate dipendono dalle aree studiate. Quando gli organismi sono molto dispersi nella zona si possono usare transetti lineari nel caso di cetacei in mare. Per fare censimenti e campionamenti di specie che non è facile trovare, si fa un censimento delle tracce che lasciano. Viene fatta una valutazione istantanea.
• Dinamici Quando gli individui sono molto mobili, si possono registrare con foto o rumori. Bisogna capire se gli individui sono già stati registrati oppure no. Si possono calcolare con una formula. Viene fatta una valutazione che richiede più tempo.

Censimento della popolazione francese nel 1967. Si può notare dai grafici prima di tutto che con il tempo la popolazione diminuisce, che i due grafici non sono speculari quindi i processi sono diversi e che in delle date precise come le guerre mondiali ci sono stati dei deficit di nascite. In un censimento statico posso leggere molti eventi che hanno formato questa popolazione mentre dopo la guerra c'è sempre un aumento fortissimo delle nascite. Sono grafici che ti dicono cos'è successo ma non dicono cosa succederà.

Censimento del bue muschiato. Una delle faune su cui è stato attuato un ripopolamento è stato quello del bue muschiato. Gli ecologi hanno selezionato un certo numero di habitat favorevoli non più occupati per far espandere di nuovo il bue muschiato. In un'isola davanti all'Alaska hanno provato a riportare il bue muschiato. Negli anni successivi vengono fatti vari censimenti negli anni successivi, una serie temporale di censimenti. Dal grafico possiamo vedere che unendo i puntini la crescita aumenta in modo esponenziale. Questo è un campionamento statico ma ripetuto nel tempo. Questa linea del grafico ci sta ad indicare se c'è una crescita o una diminuzione.

8.3.2017 - La demoecologia

La demoecologia serve principalmente per prevedere, una funzione euristica del modello cioè per capire meglio un sistema. Quando i fisici fanno un modello di un atomo serve sostanzialmente per capire come funziona. Il linguaggio per spiegare formalmente il funzionamento può essere qualsiasi linguaggio, quello sintetico e universale che è la matematica. Per descrivere un processo biologico non c'è un linguaggio matematico specifico, ma spesso è un compromesso tra esigenze diverse, non bisogna esagerare nella complessità e bisogna quindi essere chiari e sintetici, ma allo stesso tempo completi. Se il modello deve funzionare per indicare fenomeni generali, quindi sarà un modello stretto e semplice via via che serve a descrivere fenomeni più specifici servirà un modello sempre più grande.

La matematica che si usa per fare questi modelli è quella del discreto e del continuo.

Discreto: Nel caso di una popolazione se vogliamo capire come si modifica nel tempo si userà.

Continuo: Nel caso di una popolazione che cambia nel tempo dobbiamo usare una matematica del continuo, cioè calcolare le variazioni nel tempo dN/dT, cioè una variazione istantanea nel tempo. Ci sono popolazioni che si modificano nel tempo in modo continuo. Per esempio una cavalletta cambia il suo stile di vita in modo stagionale, ha una cadenza precisa di cambiamento nel tempo, la sua dinamica è formata da un pacchetto di individui distinti nel tempo, le cadenze sono di solito annuali. Per calcolare questa serve una matematica del discreto.

Quando si parla di uomini, non c'è un cambiamento cadenzato nel tempo e la riproduzione e la morte non è un processo cadenzale ma gli eventi si distribuiscono in modo omogeneo nel tempo.

Per rappresentare la nostra idea sul cambiamento di una popolazione dobbiamo capire quale fenomeno fa cambiare il numero di individui che la compongono e queste sono la riproduzione (o fertilità) o la mortalità, ma in una popolazione ci possono essere altri fenomeni di cambiamenti e questi possono essere riguardanti la motilità cioè l'immigrazione e l'emigrazione. Quindi in tutto sono 4 fattori. (B,D,I,E) I ed E vengono eliminati, poiché se una popolazione è confinata in uno spazio in cui immigrazione ed emigrazioni non sono presenti, ma anche in una popolazione che si trova in uno spazio sconfinato si può considerare che il numero di ingressi ed uscite può essere sostanzialmente uguale, quindi la formula viene semplificata.

Un'ulteriore semplificazione può essere fatta traducendo in coefficienti gli individui che nascono nell'unità di tempo poiché sono prodotti dagli individui che compongono la popolazione, quindi B diventa b che è un coefficiente di fertilità, che è più generale (numero di figli che ciascun individuo della popolazione ora, avrà tra oggi e domani e varia tra zero a infinito). d invece indica il coefficiente di mortalità che sta tra 0 e 1. I coefficienti di mortalità e di fertilità andranno a sostituire nella formula, dando altre formule LAMBDA è il coefficiente di variazione della popolazione.

Il tasso finito dell'accrescimento della popolazione Questo coefficiente fa delle previsioni. Lambda è 1, la popolazione è stazionaria, non cambia nel tempo. Non è possibile che la mortalità bilancia sempre la fertilità, nelle popolazioni vere si sconina sempre sopra o sotto. Se lambda è maggiore di 1, la popolazione cresce e continua a farlo nel tempo, per T tendente all'infinito la popolazione non smette di crescere. Lambda minore di 1, la popolazione ha una diminuzione della popolazione in modo esponenziale che lo porta lentamente o velocemente a zero. Nelle comunità biologiche normali hanno dei margini di stabilità anche se il loro lambda non è sempre uguale a 1.

L'esempio del bue muschiato sta a indicare che il lambda era maggiore di uno perché la crescita era esponenziale. Per calcolare lambda si può calcolare uno stato della popolazione in questo momento e le sue condizioni in uno stato precedente. Lo stesso grafico della crescita del bue riportato in un altro grafico si vede che lambda cambia di anno in anno, quindi la crescita cambia, c'è un range di variazioni. Posso ricavare un valore medio attraverso una media aritmetica e basarmi sul lambda medio ricavato.

Il fatto che anno dopo anno il tasso di accrescimento non è sempre lo stesso, deriva da sbagliati calcoli di censimento o è un valore che possono non considerare? Devo considerare questi valori diversi di lambda, poiché questa variazione è determinata da fenomeni veri, chiamati di stocasticità (dipendono dal caso):

• Stocasticità ambientali, i fenomeni ambientali che hanno influenzato i fenomeni demografici. Gli effetti non sono gestibili ma hanno a che fare con il caso. Sono fattori esterni che influenzano ma non possono essere azzerati.
• Stocasticità demografica, è la variabilità biologica intrinseca. Un sistema biologico deve avere le capacità di variare per mantenere livelli adeguati di diversità. Questo tipo di stocasticità dimostra che non ci sono due individui uguali, anche se ci sono individui simili ma non saranno mai uguali.

La probabilità della distribuzione di lambda va specificata. Per avere un'idea della distribuzione di probabilità, faccio delle osservazioni empiriche cioè conto quante volte lambda ha avuto un determinato valore e trasformo i valori discreti e li divido per i valori dell'istogramma e faccio un grafico. Si trasformano in probabilità i risultati di un'osservazione. Se conosco la q