Ecologia generale

La materia

La materia è tutto ciò che è dotato di massa e che occupa uno spazio; si può trovare nei diversi stati di aggregazione, cioè solido, liquido o aeriforme. È costituita da un’aggregazione di elementi, a loro volta costituiti da atomi; gli atomi stessi unendosi danno vita ai composti (molecole). Quando la materia cambia forma, volume o stato, la sua massa non varia. La materia non viene né creata né distrutta, ma riciclata di continuo.

Chimica organica

La chimica organica è organizzata intorno al carbonio (C), che rappresenta più della metà del peso secco delle cellule. Le macromolecole più importanti sono:

• Proteine, formate da polimeri di amminoacidi; comprendono:
  • Enzimi che mediano le reazioni chimiche
  • Recettori che trasferiscono segnali specifici
  • Trasportatori che trasportano sostanze specifiche verso l'interno o l'esterno della cellula
• Acidi nucleici (DNA ed RNA), formati da polimeri di nucleotidi
• Carboidrati, si dividono in monosaccaridi (zuccheri semplici, come il glucosio) e polisaccaridi (polimeri di monosaccaridi, come l’amido; rappresentano le riserve di sostanze nutritive)
• Lipidi, svolgono diverse funzioni: compongono la membrana cellulare e rappresentano le riserve di sostanze nutritive

Teoria cellulare

• Tutti gli organismi sono costituiti da cellule
• Le cellule hanno origine da altre cellule
• Le reazioni chimiche avvengono all'interno delle cellule
• Struttura gerarchica tra le cellule

Condizioni per la vita

Deve essere presente:

• Fonte luminosa, come il sole
• Atmosfera, che protegga dai raggi UV e dalle meteoriti
• Acqua, nei 3 stati di aggregazione; occupa i ¾ della superficie terrestre e costituisce il 60-80% della massa degli organismi. Funzioni:
  • Medium per le reazioni biochimiche
  • Solvente per le reazioni polari e ioniche
  • Trasporta materia sia a livello cellulare che di ecosistema

Domini della vita

Dominio Batteri, Archea, Eucarioti

Batteri: organismi unicellulari procarioti; presentano una parete cellulare e non una membrana nucleare, per cui il DNA circolare è disperso all'interno del citoplasma. Es: stomatoliti sono batteri che inglobano carbonato di calcio (CaCO₃) e sostanze inorganiche, andando a formare complessi solidi e globosi.

Archea: organismi unicellulari, che mantengono caratteristiche procarioti, con una parete cellulare contenente glicerolo; sono organismi in grado di sopravvivere a condizioni estreme. Si suddividono in:

• Termofili, sopravvivono a T > 100 °C
• Psicrofili, sopravvivono a T < -10 °C
• Acidofili, sopravvivono in ambienti acidi
• Alcalofili, sopravvivono in ambienti alcalini
• Altofili, sopravvivono in condizioni di elevata salinità

Gli organismi eucarioti possono essere:

• Eterotrofi non sintetizzano sostanza organica, ma la assumono attraverso organismi che l'hanno già sintetizzata
• Multicellulari sono organismi costituiti da più cellule, raggiungendo un’organizzazione molto complessa
• No parete cellulare essa è stata sostituita dalla membrana cellulare (o plasmatica)
• Movimento attivo sono in grado di muoversi liberamente in acqua, aria e suolo; esistono delle eccezioni, ad esempio in ambiente acquatico sono presenti organismi sessili (ancorati ai substrati), dotati però anch'essi di movimenti, anche se minimi
• Diversità delle forme variano enormemente; quest'aspetto è legato anche alla grande varietà di colorazione
• Diversità di habitat inerente al luogo in cui vive un determinato organismo
• Riproduzione sessuata accompagnata da dimorfismo sessuale (gonocorismo = sessi separati); successivamente alla fecondazione, vi è la formazione dell'embrione. Eccezioni: partenogenesi, che caratterizza soprattutto gli organismi acquatici, importante per gli studi in eco-tossicologia (es: Dafniamania)

Organizzazione della materia

In natura, essa è organizzata secondo diversi livelli di complessità, detti sistemi. Un sistema è un insieme di componenti interdipendenti, che regolarmente interagiscono tra loro a formare un tutt'uno; si dividono in:

1. Fisici, dalle particelle subatomiche all'universo
2. Biologici, comprendono la materia organica nei suoi vari livelli, dalle macromolecole alla biosfera
3. Ecologici, comprendono i livelli tra individuo (o popolazione, a seconda delle scuole di pensiero) e sistema globale
4. Ambientali, comprendono l’ecosistema e le interazioni tra la componente biologica, abiotica e i fattori ambientali. A loro volta si suddividono in:
   • Naturali (ecosistema, bioti) ecosfera = biosfera + litosfera + criosfera + idrosfera + atmosfera
   • Umani: sistemi naturali + fattori ambientali culturali

Le sei sfere

Idrosfera: Comprende tutta l’acqua allo stato liquido, in qualunque luogo essa sia presente.

Biosfera: È comparsa circa 500 milioni di anni fa ed ha modificato profondamente la Terra. Comprende la totalità degli organismi viventi, a qualunque regno essi appartengano; presenta proprietà omeostatiche ed esercita quindi un controllo sull’ambiente geochimico. Riguardo all’omeostasi è molto importante il ruolo della comunità biotica (anche se una corrente di pensiero ritiene che sia più importante il ruolo dei sistemi geologici).

Offre condizioni favorevoli allo sviluppo e alla persistenza della vita; per ciò necessita di 3 condizioni fondamentali:

1. Acqua in forma liquida
2. Energia che giunge da fonti esterne (sole)
3. Relazioni tra stato solido, liquido e gassoso della materia

Solitamente una piccola parte della biosfera è oggi usata direttamente dagli uomini; con una tecnologia globale, l’umanità si avvia ad incidere su tutta la biosfera, sulla regolazione del clima, sulla composizione dell’atmosfera, sulle riserve d’acqua, sui cicli biogeochimici e su molti altri fattori e processi ambientali.

Racchiude uno spessore di 100 m, prescindendo dagli animali che volano o nuotano rispettivamente ad altezze e profondità superiori. Il limite della biosfera delle alte altitudini, è dato dalla mancanza di ossigeno; ci sono animali e uomini (come gli sherpa), che hanno sviluppato modificazioni che gli permettono di sopravvivere. Nei mari, invece, la vita è possibile solo in determinate fasce, mentre a grandi profondità sono presenti solo pochissime specie e, in particolare, batteri; gli organismi autotrofi sono condensati nei primi 200 metri, mentre al di sotto di questa profondità non passano più i raggi solari, per cui vi sono solo organismi eterotrofi.

Ipotesi di Gaia (Lovelock, 1979): la biosfera regola e mantiene il clima e la composizione dell’atmosfera ad uno stato ottimale:

• Bilancio dei gas dell’atmosfera
• Ciclo dell’acqua
• Consolidamento delle coste e delle terre emerse
• Bio-condizionamento dei fattori fisici
• Rallentamento dei processi entropici

La nostra Terra è come un unico grande sistema caratterizzato da una grande capacità di auto-regolazione degli ambienti chimico e fisico.

Vernadskij: il pensiero scientifico e l’attività della scienza costituiscono una forza biologica che agisce sulla biosfera:

• Geosfera
• Biosfera
• Noosfera

Criosfera: Comprende la totalità dei ghiacci, sia montani che marini. Il ghiaccio di congelamento si trova nelle zone di permafrost, nel terreno o in fratture della roccia; può essere presente anche in grotte.

In realtà la criosfera non comprende il ghiaccio in sé, ma tutti gli organismi vivi che sono contenuti all’interno di esso. Ciò è dovuto ai cicli di congelamento e scongelamento, che permettono di intrappolare migliaia di microrganismi (batteri e alghe unicellulari).

Luoghi in cui incontriamo la maggior parte del ghiaccio compreso nella criosfera:

• Calotta Antartica: è divisa in due parti: occidentale (più piccola) ed orientale (comprende il 78% dei ghiacciai presenti sulla Terra). Qui il ghiaccio si forma lentamente, per la scarsità di precipitazioni, ma anche la sua fusione è molto lenta, per la rigidità delle temperature. Infatti qui si trova il ghiaccio più antico della Terra.

Nelle parti inferiori della calotta avviene un processo continuo di congelamento e successivo scongelamento dell’acqua marina, che ghiaccia solo in superficie, mentre negli strati inferiori rimane allo stato liquido, dove proliferano i microrganismi. Con lo scongelamento, essi vengono liberati. Questo processo è importante per il ciclo vitale di molti animali marini (es: balene). Le alghe unicellulari che vengono intrappolate sono dette alghe simpagiche.

• Permafrost: presente nelle zone continentali ad alte latitudini (zona periglaciale); anche qui la formazione del ghiaccio è causata dalla rigidità delle temperature. Il permafrost presenta vari strati, il più importante dei quali è quello superficiale, detto anche strato attivo, in quanto è soggetto a cicli di congelamento e scongelamento.

All’interno dello strato superficiale si formano comunità microbiotiche, che con lo scongelamento vengono liberate; esse sono in grado di consumare la sostanza organica presente in questo strato, in modo anaerobico, provocando la fuoriuscita di metano e anidride carbonica (quest’ultima prodotta dagli stessi microrganismi, essendo in grado di formarla partendo dal metano).

Tecnosfera: È l’ambiente fisico regolato dalla tecnologia dell’uomo, che provoca la frammentazione del territorio. Quindi comprende l’uomo e le sue attività, includendo le trasformazioni territoriali ed i fenomeni ambientali da esse causati (inquinamento), o più in generale, le tecnologie sviluppate dall’uomo; per questo motivo è detta anche antroposfera.

Gerarchia

• Individuo
• Popolazione
• Comunità
• Ecosistemi
• Ecologia
• Paesaggi
• Biomi
• Biosfera: unità basilare dell’ecologia, che risponde agli stimoli ambientali.

Individuo: l’insieme delle nascite e delle morti determina la dinamica delle popolazioni. Le interazioni tra individui di una stessa specie e di specie diverse, definiscono la comunità (biogenesi). Ogni individuo trasmette i suoi geni alle generazioni successive.

Popolazione: insieme di individui appartenenti alla stessa specie.

Specie: gruppo di popolazioni i cui individui possono incrociarsi e dare prole fertile (ibridi). Se gli ibridi sono sterili, non danno origine ad una nuova specie (es: mulo = asino + cavalla; bardato = asina + cavallo).

Comunità o biogenesi: popolazioni di specie diverse, che interagiscono tra loro nello spazio e nel tempo.

Paesaggi: configurazione spaziale di porzioni (patches) di un territorio di dimensioni rilevanti per l’organismo considerato.

Biomi: grandi comunità biologiche (terrestri), determinate dal clima e caratterizzate dal paesaggio vegetale. Per estensione si considerano biomi anche altre regioni, come gli oceani.

Specie: Individui appartenenti alla stessa popolazione, che interagiscono tra loro nello spazio e nel tempo; sono in grado di riprodursi tra loro e non con gli individui di un’altra specie, poiché i discendenti sono sterili.

Esistono attualmente 5 milioni di specie, derivate dall’evoluzione e dall’estinzione di altre specie meno adatte. Le specie non sono risorse inesauribili, ma possono scomparire a causa di cambiamenti ambientali e climatici e di catastrofi naturali, ma soprattutto per causa dell’uomo. Tuttavia quando invadono nuovi ambienti possono causare problemi non essendo idonee a vivere in quel determinato ambiente, non essendo il loro habitat.

Sistemi

I sistemi possono essere di 3 tipi:

1. Aperto: sistema che può scambiare materia ed energia con l’ambiente esterno (organismi ed ecosistemi)
2. Isolato: sistema che non può scambiare né energia né materia con l’ambiente esterno
3. Chiuso: sistema che non può scambiare materia con l’ambiente esterno, ma può scambiare energia (es: Terra)

I sistemi viventi sono aperti e a bassa entropia, che mantiene il sistema lontano dall’equilibrio termodinamico. Es:

• Roccia: il Sole attraverso i raggi solari, l’energia solare viene trasformata in energia termica e viene irradiata o dissipata di notte; non avvengono ulteriori trasformazioni di energia
• Pianta: l’energia luminosa viene trasformata in energia di legame chimico (ATP o NADP), che viene utilizzata per la sintesi di sostanze glucidiche (nutrizione erbivori)

Entropia (Clausious, 1865): è la funzione di stato di un sistema termodinamico, che definisce l’entità della degenerazione di energia. Ogni trasformazione energetica aumenta l’entropia, quindi una parte di questa energia viene dissipata sotto forma di calore. Il termine entropia viene usato anche come indice generale del disordine associato alla degradazione di energia.

Quando si parla di entropia in un sistema biologico, deve essere preso sempre in relazione alle condizioni dell’ambiente esterno. Oltre ai sistemi biologici, anche quelli ecologici sono lontani dall’equilibrio termodinamico, altrimenti la vita non esisterebbe. In condizioni normali si ha un passaggio naturale dall’ordine al disordine, a meno che non intervenga una forza esterna.

Ciascun sistema è caratterizzato da:

• Ambiente esterno: è il sistema delle condizioni e relazioni che si attuano all’interno del sistema, che ne costituisce una componente
• Ambiente interno: insieme delle condizioni e relazioni che si sviluppano fra le sue componenti interne

Proprietà dei sistemi

• Scambio di materia ed energia
• Gli elementi di un sistema costituiscono una rete di interazioni
• L’insieme delle interazioni forma le proprietà emergenti
• L’insieme agisce sulle parti
• L’organizzazione dell’insieme è di tipo gerarchico. Più che altro vi è un’appartenenza: un dato livello dell’organizzazione ambientale non ha come unici referenti solo i livelli immediatamente superiore e inferiore, ma tutti quelli superiori e inferiori.

Principio delle proprietà emergenti

Proprietà emergenti ≠ ∑ proprietà delle singole parti

Questo perché le proprietà emergenti, sono proprietà nuove, sviluppate dalla combinazione di una o più componenti gerarchiche (es: combinazione di atomi; combinazione di cellule, tessuti e organi).

Conseguenze delle proprietà emergenti:

• Sistemi gerarchicamente integrati evolvono più rapidamente dei loro componenti
• Le interazioni tra le componenti non modificano la natura delle stesse, ma danno origine a proprietà nuove ed esclusive
• I sub-insiemi, anche se separati, conservano la capacità di riorganizzarsi ad un livello di complessità più alto

I sistemi ambientali, grazie alle proprietà emergenti, avranno la capacità di superare le situazioni di degrado e criticità tendenza del sistema a persistere nello stato di ordine interno, stazionario e lontano dall’equilibrio; i sistemi hanno uno stato stazionario che, a seguito di perturbazioni, gli permette di ripristinare una configurazione diversa rispetto alla precedente.

Meccanismi di controllo cibernetici

• Feed-back
• Ridondanza
• Stabilità
• Resistenza
• Resilienza

Attitudine del sistema di rimanere nello stato stazionario e capacità del sistema di riprendere lo stato stazionario dopo che la situazione negativa è passata. Quando il sistema si scosta dallo stato stazionario, entra in stress e tende a tornare alla situazione iniziale:

• Omeostasi: tendenza a stabilire a perseverare nel proprio stato dinamico, anche in presenza di perturbazioni
• Omeoresi: tendenza del sistema in fase di sviluppo a perseverare nella propria direzione anche in presenza di perturbazioni

Es: curva a sacco dell’ossigeno nei corsi d’acqua:

• P: inquinamento organico
• R: funzione di resistenza
• r: funzione di resilienza
• a: corso d’acqua turbolento
• b: corso d’acqua laminare

La saturazione dell’acqua che si calcola, dipende dai fattori che incidono sul fiume nel momento in cui sono state fatte le misurazioni.

Cambiamenti culturali

• Rivoluzione agricola: l’Homo sapiens sapiens è presente da 40.000 anni; per 30.000 anni sono stati cacciatori e agricoltori, dopo hanno introdotto la prima tecnica di coltivazione agricola. Ciò ha provocato il primo impatto ambientale (abbattimento e combustione delle foreste tropicali)
• Rivoluzione industriale: iniziò in Inghilterra verso la metà del '700 e rappresentò lo spostamento dell’uso delle fonti di energia rinnovabile all’uso di energie non rinnovabili; simultaneamente avvenne l’invenzione di macchinari per una produzione su larga scala. Si ha una maggiore dipendenza da risorse non rinnovabili e un aumento dell’uso di prodotti chimici, molte volte tossici.

Si ha inoltre l’uso di attrezzature agricole più efficienti e fertilizzanti, che portano ad un aumento dei raccolti. Tutto ciò portò alla nascita di industrie, città industriali e ad un aumento demografico. La popolazione ebbe un impatto significativo sull’ambiente e sullo sviluppo tecnologico.