Ecologia - appunti

L'ecosistema e l'ecologia

L'ecosistema è l'oggetto di studio dell'ecologia, ed è l'insieme costituito da organismi viventi (componente biotica) che interagiscono tra loro con l'ambiente che li circonda (componente abiotica).

Comunità e habitat

La comunità è l'insieme delle popolazioni che vivono ed interagiscono in un ecosistema (componente biotica dell'ecosistema). L'habitat è l'insieme delle caratteristiche abiotiche nel quale vive ed interagisce la comunità di un ecosistema (componente abiotica dell'ecosistema).

La popolazione è l'insieme degli organismi appartenenti ad una specie che vivono ed interagiscono in un habitat e concorrono alla formazione di una comunità (definizione diversa e più grossolana da quella di genetica).

Definizioni di ecologia

Cosa è l'ecologia? Abbiamo varie definizioni, nel 1866 la prima di Ernt Haeckel che faceva riferimento all'etimologia greca oikos e logos. Poi ne abbiamo due molto contrapposte, nel 1971 Odum la definisce lo studio della struttura e dei funzionamenti degli ecosistemi, approccio più funzionale (quello che preferisce la prof), e nel 2013 Cain e altri la definiscono la scienza che studia le interazioni fra gli organismi ed il loro ambiente, approccio più descrittivo.

Sommando le varie definizioni possiamo dire che l'ecologia è lo studio delle relazioni fra gli organismi e l'ambiente nel quale essi vivono, che determinano il funzionamento degli ecosistemi. L'ambiente include tutte le condizioni abiotiche (fisiche, chimiche, geografiche) ma anche le relazioni biotiche. Le relazioni biotiche o biologiche includono sia le relazioni con il mondo biotico (idoneità ambientale per la specie) sia i rapporti positivi e negativi con i membri della stessa specie o di altre specie.

Storia dell'ecologia

L'ecologia ha 150 anni, parte con Haeckel. Da diversi decenni si dedica grande attenzione ai problemi di natura ecologica, fino a poco tempo fa molto trascurata. Anche se nel lontanissimo passato ci sono molti autori che hanno fatto riferimento a questi temi, ad esempio Erodoto, Platone, Ippocrate, Aristotele e anche Lucrezio con il "De rerum natura" ad esempio.

Ecologia NON è sinonimo di ambientalismo. Ecologia è una scienza esatta, lo studio scientifico delle interazioni biotiche e abiotiche che determinano la distribuzione e l'abbondanza degli organismi sulla biosfera. L'ambientalismo intende la politica ed i movimenti sociali che operano per la difesa ed il miglioramento dell'ambiente e per lo sviluppo sostenibile, ma non necessariamente è corredato da profonde basi di conoscenza scientifica.

L'ecologia accademica si basa su approfondite conoscenze scientifiche e soprattutto nel passato non entrava nel merito della società reale. Solo nell'83 nasce il primo ministero dell'ecologia.

Eventi storici rilevanti

Nel 1962 tutto nasce, Rachel Carson pubblica un libro dove dimostrò che una molecola chimica che veniva diffusa ed utilizzata in tutto il mondo a dismisura, il DDT, insetticida, era tossica, ma era una svista dal punto di vista chimico ed economico.

Nel 1963 esce un libro che dimostrava che le radiazioni nucleari dovevano essere messe al bando perché procuravano danni alle persone e al sistema naturale.

Nel 1972 c'è la nascita della coscienza ambientalista, per mezzo dell'uscita di un libro. Nel 1973, c'è un inizio di affermazione della coscienza ambientalista, in questo periodo c'è la crisi del petrolio dovuta ad un aumento di prezzi deciso dai paesi arabi produttori, e la nostra dipendenza del petrolio ci fece capire quanto il nostro sistema di sviluppo fosse fragile. Questo è il periodo dell' austerity in Italia.

Nei giorni festivi non si poteva circolare con mezzi privati perché non c'erano soldi per comprare la benzina anche nei giorni festivi, non ci dovevano essere luci inutili nelle città, bisognava essere più austeri. Nel frattempo cominciavano ad esserci i primi movimenti ambientalisti (verdi). In Italia nel 1948 nasceva Pro natura.

Oggi siamo in un periodo storico "ANTROPOCENE" (l'epoca dell'uomo) caratterizzata dall'azione dell'uomo sul contesto ambientale, che con la tecnologia acquisisce potere sulla natura, provocando cambiamenti che lasciano un segno permanente sul pianeta Terra. Questo termine è coniato negli anni '80, ripreso da Paul Crutzen, premiato per aver scoperto il buco nell'ozono.

Quando è iniziato l'antropocene?

• Secondo Ruddiman (2012, 2013) a partire dalla prima rivoluzione dovuta alla nascita dell'agricoltura, quindi a.C.
• Secondo Crutzen (2000, 2002) a partire dalla rivoluzione industriale tra il 600 e 700.
• Secondo Steffen (2015) dall'esplosione della prima bomba nucleare quindi 1945.
• Secondo Turney (2018), tutto nasce dal 1965 a seguito dei test nucleari avvenuti nell'emisfero boreale.

In Italia ambientalismo ed ecologia si sono incrociati a partire dall'austerity, ma ciò è nato da "le grandi paure". Una serie di incidenti e disastri ha definitivamente rimarcato la distorsione nei rapporti tra uomo e ambiente, tra «industria» e natura spingendo anche i non «addetti ai lavori» verso la conoscenza dei problemi ambientali e la consapevolezza della necessità di porvi rimedio.

Incidenti ecologici significativi

• Nel 1989, la nave petroliera Exxon Valdez svuota tutto il suo carico di petrolio a mare in Alaska, alla guida della nave c'era un capitano alcolizzato.
• In Italia ci sono stati casi di fughe di gas tossici, nel 1976 dalle industrie chimiche di Seveso in Lombardia ci fu una fuoriuscita di diossina.
• In India nel 1984, per mezzo di una multinazionale americana che per un periodo produceva in Asia, ci fu una fuga di gas tossici.
• Nel '79 in Pennsylvania scoppiò un reattore di una centrale nucleare.
• Il più famoso di tutti è nel 1986 a Cernobyl.
• L'ultimo incidente nucleare a Fukushima nel 2011.

Poi ci sono i vari vortici di plastica nel mare, ad esempio nell'oceano pacifico, nell'emisfero boreale e australe, ed è stata scoperta un'isola di plastica anche nei Caraibi. C'è un'isola di plastica anche nel Mediterraneo, in modo particolare una più grande è tra la Corsica e l'arcipelago toscano.

Ci sono anche sostanze chimiche come il POP, DDT, PCB. Abbiamo i PFAS, più colpiti l'Adige, il Po, l'Arno e il Tevere. Anche i cellulari sono pericolose fonti di inquinamento elettromagnetico.

Principio di precauzione

In Italia il boom economico, dopo la guerra negli anni 60, spinge dagli anni 70 verso la conoscenza ambientale. Comincia quindi il boom edilizio con la costruzione di abitazioni ad oltranza. Bisogna usare il "principio di precauzione" ovvero prima di inserire in un contesto naturale o sociale, qualcosa di nuovo, bisogna immaginare che può avere benefici ma che possa essere anche pericolosa, quindi bisogna fare degli studi. Bisogna fare attenzione anche a dove cercare informazioni, perché è facile trovare fake news.

Struttura dell'ecologia

L'ecologia si occupa dei sistemi viventi al più alto livello di complessità:

• Popolazioni
• Comunità
• Ecosistemi
• Biomi (gli ecosistemi maggiormente estesi sulla terra, classificati a seconda della vegetazione dominante e caratterizzati dall'andamento degli organismi a specifiche condizioni ambientali)
• Biosfera (insieme di tutti gli ecosistemi della Terra)

Struttura della Terra

Il nostro oggetto di studio è la Terra. Possiamo immaginare la Terra costituita da molti strati o sfere: litosfera, biosfera, criosfera, atmosfera, idrosfera.

• L'idrosfera è la parte più diffusa, è tutta la componente acqua, che può essere ovviamente presente sotto tre stati fisici. Comprende acque dolci, salate, sotterranee, il ghiaccio polare, iceberg ecc..
• L'idrosfera stretta, ovvero lo stato liquido H₂O più tutti i Sali minerali, è distinto dalla Criosfera cioè la parte solida, iceberg, calotte polari, permafrost cioè terreno congelato, superfici innevate, essa è dunque una parte dell'idrosfera.
• L'atmosfera è la parte gassosa che circonda la Terra, che ha degli strati successivi, uno dei più importanti è la troposfera, a stretto contatto con lo strato terrestre, poi c'è la stratosfera (il contenitore della ozonosfera) e si arriva fino alla esosfera.
• La litosfera è la parte solida della crosta terrestre, quella esterna, detta anche crosta terrestre, a noi interessa solo la parte superficiale.
• L'ecosfera o biosfera è la parte biologica che interagisce con queste sfere precedenti, ci può essere una identificazione del concetto di biosfera ed ecosfera ma non sempre questo è vero, qui si trovano gli organismi viventi (biota) che interagiscono tra loro e con l'ambiente non vivente (abiotico). Comprende la maggior parte dell'idrosfera, parte dell'atmosfera inferiore e della litosfera superiore. Si estende dalla fossa oceanica più profonda Fossa delle Marianne fino alle cime delle montagne più alte Monte Everest.

Gli ecosistemi

Il termine ecosistema fu coniato nel 1935 dall'ecologo Tansley, che definisce il sistema ecologico come la compartecipazione di una componente fisica (abiotica) ed una biologica in relazione fra loro.

L'attuale definizione di ecosistema è quell'unità che include tutti gli organismi che vivono insieme (comunità) in una data area, le cui interazioni con l'ambiente abiotico (habitat) sono caratterizzate da un continuo flusso unidirezionale di energia che porta ad una definita struttura biotica e ad una ciclizzazione dei materiali. Ci sono due sistemi di ingresso, quello di entrata la fotosintesi clorofilliana, e quello in uscita la mineralizzazione e la decomposizione della sostanza organica. C'è però il problema della definizione dello spazio dei vari ecosistemi, la maggior parte delle volte un ecosistema sfuma in maniera graduale nell'altro. Nonostante questo problema esistono delle caratteristiche generali che possono essere riscontrate in tutti gli ecosistemi cioè:

• L'attività biologica degli organismi di una comunità richiede energia che ovviamente deve provenire dall'esterno, nonostante c'è una piccola parte di autoproduzione di energia di tipo chimico, e viene definita INPUT ENERGETICO.
• Ci deve essere anche un OUTPUT ENERGETICO.
• Ci deve essere anche un comparto biologico che sia in grado di utilizzare e trasformare questa energia in ingresso e metterla a disposizione di tutto il comparto biologico, questi sono gli organismi che definiamo autotrofi, in grado di trasformare sostanze chimiche diverse utilizzando energia e metterle a disposizione per tutta la componente biologica, compiono un'azione di ORGANICAZIONE della sostanza inorganica che condivideranno con tutto il comparto.
• Ogni organismo vivente presente nell'ecosistema ha necessità di composti chimici sotto forma elementare, molecole semplici o leggermente più complesse che consentono la vita degli organismi e lo svolgimento delle funzioni biologiche, chiamate NUTRIENTI.
• Siccome c'è un input di energia ed organismi in grado di organicare, devono esistere allora organismi in grado di utilizzare delle sostanze complesse sotto forma organica e di trasformarle e renderle disponibili al comparto biotico e abiotico sotto forma di sostanze nutritive inorganiche, questi si chiamano decompositori, che degradano quindi le molecole organiche che essendo complesse non si decomporrebbero facilmente.
• Organismi semplicemente in grado di utilizzare carbonio organico per trasformarlo in altre forme di carbonio organico, quindi mangiano sostanza organica e mettono a disposizione di altri sostanza organica, quindi energia chimica->energia chimica, sono eterotrofi.

Black box: vede l'ecosistema come una scatola nera, che contiene al suo interno una serie di componenti che vanno e vengono dall'ecosistema e per determinati tempi rimangono in esso. Sulla sinistra c'è l'input di energia per lo più rappresentato dal sole, ma anche altre fonti energetiche, materiali ed organismi che sono composti solidi che possono entrare nel sistema, al centro c'è l'ecosistema, sulla destra c'è il mondo dell'output dove vengono riversati energia e materiali o addirittura degli organismi che fuori escono da questo ecosistema e vanno a colonizzare altri ecosistemi. Sotto il sistema c'è una perdita di energia rappresentata da energia termica, diversa da quella che fuoriesce dal sistema ed entra nell'ambiente di output. Modello di Odum 1968.

Termodinamica ed ecosistemi

Un sistema può essere isolato, chiuso o aperto.

Isolato non scambia con il mondo esterno né energia né materiali. Chiuso scambia con il mondo esterno solo energia ma non materiali. Aperto scambia con il mondo esterno sia energia che materiale.

I sistemi ecologici sono tutti sistemi termodinamicamente aperti. Secondo Odum neanche la biosfera e la Terra sono da considerare un sistema chiuso, perché siccome riceve energia dal sistema esterno potrebbe essere un sistema chiuso, ma riceve anche materiale, pensiamo ai meteoriti. Quello che può variare è la quantità di energia o materia scambiata.

Componenti dell'ecosistema

• Sostanze inorganiche: C, N, P, S, CO₂, ed altri ancora coinvolti nei cicli biogeochimici.
• Aria, H₂O, substrato e fattori climatici.
• Composti organici: costituiscono un potenziale link tra sistema biotico e abiotico e sono proteine, zuccheri, lipidi, sostanze umiche, acidi nucleici.
• Produttori primari: organismi autotrofi (generalmente fotosintetizzati in grado di organicare il carbonio inorganico).
• Macroconsumatori o fagotrofi (o biofagi): organismi eterotrofi che si cibano di materia organica viva.
• Microconsumatori o sapotrofi o decompositori (saprofagi): organismi eterotrofi che si cibano di materia morta e la convertono in sostanza inorganica (sono il link tra lo stato vivente e non vivente).

Separazione spaziale e temporale

Separazione spaziale e temporale di questi componenti: Gli autotrofi stanno sopra la superficie, gli alberi, mentre i decompositori stanno nello stato basso del terreno. Lo strato alto è altamente produttivo, quello basso altamente decompositivo, l'energia luminosa è ovviamente più disponibile negli strati alti. Separazione nel tempo, perché parte delle sostanze prodotte dagli autotrofi possono essere consumate o decomposte anche dopo un lungo intervallo temporale (esempio delle alghe sulla laguna in base alle stagioni).

Il primo che ha esposto questi concetti è stato Lindeman, che ha dimostrato il concetto della ricompartimentazione all'interno degli ecosistemi (1942). Nel sistema acquatico non è detto che nello strato eterotrofo non ci sia anche quello autotrofo e viceversa, mentre nel sistema terra i vari strati sono più differenziati. Foresta a prevalente autotrofia, oceano a prevalente eterotrofia.

Questo perché l'oceano è caratterizzato da grandi profondità, è chiaro che lungo la colonna d'acqua la prima parte sarà raggiunta dalla luce, ma buona parte della profondità no, quindi non ci sarà fotosintesi clorofilliana, quindi i primi 300-400 m sono produttivi, al di sotto prevale la decomposizione, eterotrofia.

La differenza tra un sistema eterotrofo naturale (es una colonia di ostriche) e quello artificiale (una città industrializzata), è il dispendio energetico, quello fatto dall'uomo molto più elevato rispetto a quello naturale.

Ecosistema lago

Definizione di lago, una massa di acqua calma o quasi calma che occupa una naturale depressione nel terreno, ovviamente si parla di laghi naturali. Le caratteristiche importanti del sistema lacustre sono ad esempio il bacino imbrifero che è il bacino di raccolta di captazione delle acque, è come se fosse un imbuto di raccolta, quindi tutta quella zona geografica che per scorrimento sversa la sua acqua nel lago stesso. È quella parte di territorio che circonda il lago, e che a causa della sua pendenza, fa da imbuto di raccolta delle acque piovane.

Il lago però è alimentato non solo dalla pioggia che cade direttamente sullo specchio lacustre e da quella che ruscella lungo le pendici del bacino imbrifero, ma anche dalla pioggia che percola nel terreno, e raggiunge la falda acquifera. Quest'ultima è molto più estesa del lago e dello stesso bacino imbrifero ed infatti, il lago è la parte affiorante di un grande acquifero. Il bacino imbrifero influisce enormemente sugli ecosistemi acquatici, la sua superficie determina il volume delle acque raccolte, la sua composizione mineralogica influenza il chimismo di base dei laghi, la sua copertura vegetale influisce nella ripartizione delle acque di ruscellamento e di evapotraspirazione. Esso è delimitato dallo spartiacque che può essere definito come la linea più elevata separante il bacino imbrifero dai bacini confinanti.

Il tempo di ricambio è il tempo necessario per il ricambio dell'intero volume d'acqua, quindi il numero di anni che impiega l'emissario per far defluire un volume d'acqua pari a volume di lago. I deflussi vengono garantiti dalla presenza di emissari quindi sistemi fluviali che fuoriescono dal sistema lacustre, dall'evaporazione quindi la stagione e la geografia che prendiamo in considerazione, poi dalle perdite attraverso il terreno, quindi quanto più il sistema lacustre è penetrante tanto più l'acqua penetrerà ed uscirà dal sistema lago. I laghi con un tempo di ricambio lento sono più produttivi e più sensibili all'inquinamento.

Parametri fisici di un lago

Da ricordare prima di tutto rapporto tra Temperatura e Densità dell'acqua, il valore massimo della densità dell'acqua è a 4°C. Il bilancio termico, quindi la differenza tra la quantità di caldo immagazzinato dall'acqua per penetrazione della radiazione solare (solo una parte della radiazione comporta l'incremento termico di una massa d'acqua ed è l'infrarosso) e la perdita di calore che è dovuta in parte all'evaporazione e in parte dall'ambiente circostante.