Ecologia parziale 1

Introduzione

Ecologia = scienza quantitativa che studia la distribuzione e l’abbondanza degli organismi e delle complesse interazioni che regolano i rapporti fra gli esseri viventi e l’ambiente in cui vivono. Ambisce a comprendere le ragioni per cui una specie vive in un determinato ambiente e a comprendere come gli organismi modificano l’ambiente in cui vivono per renderlo adatto alle proprie esigenze.

Atmosfera primordiale = composta principalmente da H₂, CO₂, N₂, H₂S, H₂O, CH₄, NH₃. Di Miller. L’esperimento è servito per dimostrare che si possono formare molecole organiche da molecole inorganiche mediante un processo spontaneo. Il processo è durato una settimana e lo scienziato ha messo in atto scariche elettriche da 60.000 V per simulare i temporali.

Stromatoliti = tra i maggiori responsabili della presenza di ossigeno nell’atmosfera.

• Eone = miliardi di anni
• Era = centinaia di milioni di anni
• Periodo = decine di milioni di anni
• Epoca = milioni di anni
• Età = migliaia di anni
• Antropocene = periodo in cui la struttura attuale del pianeta è stata determinata dall’impronta perenne di una sola specie, l’uomo

1909: Walcott rinviene dei fossili che comprendevano strutture molli (difficilmente conservabili). I depositi sembrano aree dei fondali oceanici fangosi che hanno poi subito smottamenti e frane. Storegga Slide = evento famoso dovuto a scivolamento del campo di metano per le alte temperature (coperti 290 km di ripiano costiero e 3500 km³ di detriti).

La scala di osservazione ecologica è caratterizzata da due componenti:

• Grana = minima risoluzione spaziale alla quale si raccolgono i dati
• Estensione = identifica lo scopo dell’indagine o il “dominio” dei dati

Cenni storici

Questi sono i moderni fondatori dell’ecologia:

• Haeckel (1834-1919) = coniò il termine ecologia
• Burdon-Sanderson (1828-1905)
• Clements (1874-1945)
• Tansley (1871-1955)
• Elton (1900-1991)

Olismo = il tutto non è la somma delle parti. L’organismo biologico è una struttura olistica perché un essere vivente va considerato come unità-totalità non esprimibile con l’insieme delle parti.

Determinismo = in natura nulla avviene a caso. Associato alla teoria della causalità.

Definizioni

Ecosistema = insieme di esseri viventi, dell’ambiente circostante e delle relazioni chimico-fisiche in uno spazio ben determinato, unità ecologica fondamentale.

Fattori abiotici = componenti dell’eco sistema che non hanno vita (luce, acqua, clima, terra, temperatura, ...).

Fattori biotici = fattori biologici o “vitali” (presenza di specie viventi in competizione, malattie, cibo, ...).

Effetto serra = fenomeno naturale causato dalla presenza dei gas serra nell’atmosfera, che causa un aumento della temperatura terrestre. CO₂, CH₄ e vapore acqueo.

Riscaldamento globale = innalzamento della temperatura superficiale del pianeta, con riferimento all’atmosfera terrestre ed alle acque degli oceani. Cause naturali (irraggiamento solare) e attività umane.

I sistemi funzionano su scala di variabilità multiple: spazio, tempo e organizzazione gerarchica.

• Sistemi socio-ecologici (SSE) = interrelazioni che esistono tra ambiente e attività umane
• Panarchia = descrizione delle dinamiche e delle interazioni nei sistemi complessi e adattivi costringendo a pensarle in termini non lineari. Concettualizzano i SSE.
• Modello panarchico = sistemi gerarchici in evoluzione con più elementi correlati, rappresenta la struttura in cui essi sono interconnessi in continui cicli adattivi di crescita, accumulazione, ristrutturazione e rinnovamento.

Stages of the adaptive cycle

1. Exploitation = rapid expansion, as when a population finds a fertile niche in which to grow.
2. Conservation = slow accumulation and storage of energy and material is emphasized as when a population reaches carrying capacity and stabilizes for a time.
3. Release = occurs rapidly, as when a population declines due to a competitor.
4. Reorganization = as when certain members of the population are selected for their ability to survive despite the competitor.

Properties of the adaptive cycles

• Potential sets the limits to what is possible.
• Connectedness determines the degree to which a system can control its own destiny through internal controls, as distinct from being influenced by external variables.
• Resilience determines how vulnerable a system is to unexpected disturbances and surprises that can exceed or break that control.

Relazioni panarchiche

• Remember = si verifica quando il potenziale accumulato e conservato in livelli/cicli più grandi e lenti influenza la riorganizzazione di un livello/ciclo più piccolo.
• Revolt = si verifica quando eventi piccoli e veloci sopraffanno quelli grandi e lenti.

Ecosistema

Cenni storici

1877 = Moebius definisce “biocenosi” un branco di ostriche di cui descrive l’insieme complesso di organismi viventi. 1880 = Forbes definisce “microcosmo” un intero lago. 1944 = Sukachev implementa il concetto di biocenosi e arriva alla “biogeocenosi”.

Biocenosi = comunità delle specie che vivono in un determinato ambiente.

Biogeocenosi = parte delle biosfera caratterizzata da omogeneità di alcune rilevanti caratteristiche (atmosfera, vita vegetale ed animale, condizione del suolo, minerali).

Scale nell’osservazione: geni <—> cellule <—> organi <—> organismi [individuo] organismi <—> popolazioni <—> comunità [ecosistema].

Organizzazione gerarchica = disposizione ordinata entro una serie di comparti.

• Piccola scala = tassonomica, fisiologica, militare
• Grande scala = geopolitica, ecologica

Proprietà emergenti = caratteristiche generali proprie del sistema gerarchico che non appartengono a nessuna delle sue componenti. Dovute all’interazione funzionale tra le varie componenti del sistema. La loro natura non può essere determinata dallo studio delle singole proprietà.

La proprietà emergente è diversa dalla proprietà delle singole parti, perché si tratta di una nuova proprietà sviluppata dalla combinazione di una o più componenti gerarchiche. Es. combinazione di atomi, combinazione di cellule, combinazioni di popolazioni.

Proprietà collettive = l’insieme dei comportamenti delle componenti. Es. tasso di nascite, consumo di energia.

Integrazione di sub-insiemi = una proprietà emergente + serie di proprietà collettive.

Conseguenze delle proprietà emergenti

• Sistemi gerarchicamente integrati evolvono più rapidamente delle loro componenti.
• Interazioni fra componenti non modificano natura delle stesse ma danno origine a proprietà nuove.
• Sub-insiemi, anche se separati, conservano capacità di riorganizzarsi a livello di complessità maggiore.

Omeostasi ecologica = capacità di un ecosistema di mantenere uno stato di equilibrio dinamico. Viene mantenuta attraverso continuo scambio di materia ed energia. Fattori che possono modificare l’omeostasi:

• Negativi (abiotici) = stocastici, climatici, uomo
• Positivi (biotici) = natalità/mortalità, immigrazione/emigrazione, competizione e predazione

Ecosistema

Ecosistema (unità base dell’ecologia) = unità che include tutti gli organismi che vivono insieme in una data area, le cui interazioni con l’ambiente fisico sono caratterizzate da un continuo flusso unidirezionale di energia che porta ad una definita struttura bioetica e da una ciclizzazione dei materiali.

• Biotici componenti (organismi viventi che si distinguono in produttori primari, consumatori e decompositori)
• Abiotici componenti (sostanze inorganiche)

I sistemi ecologici sono sistemi aperti, presentano sempre ambiente di input e output. Da un punto di vista termodinamico, un sistema può essere aperto, chiuso o isolato.

Comunità = integrazione di popolazioni caratterizzate da processi relazionali. Insieme di organismi divisi dal punto di vista biologico ma aperto ai flussi di energia e materia. Biologicamente chiusa = nessun elemento dell’insieme interagisce direttamente o indirettamente con organismi al di fuori dell’insieme stesso. Equilibrio stazionario = equilibrio che si automantiene.

Modello = formulazione fisico-matematica che imita un fenomeno naturale. Previsioni = definizione dei fattori chiave e delle proprietà integrative principali.

Modellizzazione

• Visione termodinamica: flusso di energia unidirezionale e dissipativo
• Dissipazione di calore fa sì che l’ordine sia mantenuto
• Ambiente di entrata ed ambiente di uscita fanno parte dell’ecosistema

Struttura degli ecosistemi

È possibile descrivere la struttura bioetica di un ecosistema attraverso la sua struttura trofica e possono essere distinti due strati: autotrofo ed eterotrofo.

Strato autotrofo = organismi in grado di produrre sostanza organica a partire da materiale inorganico mediante fotosintesi o chemiosintesi. Il resto del prodotto fotosintetico che non viene usato raggiunge il suolo dove diventa parte di un sistema eterotrofo.

Strato eterotrofo = organismi che per il loro sostentamento si nutrono di sostanza organica, traendola da organismi vivi o dal materiale di decomposizione.

Componenti del sistema

• Sostanze inorganiche = C, N, P, S, CO₂ ed altri coinvolti nei cicli biogeochimici
• Composti organici = proteine, zuccheri, lipidi, sostanze umiche, acidi nucleici
• Aria, acqua, substrato e fattori climatici
• Produttori primari = organismi autotrofi
• Macroconsumatori o fagotrofi = organismi eterotrofi che si cibano di materia vivente
• Microconsumatori o saprotrofi = organismi eterotrofi che si cibano di materia organica morta e la convertono in sostanza inorganica

Sostanza organica → biomassa + necromassa

Produzione = variazione di biomassa nel tempo.

Produzione primaria = CO₂ + H₂A <—> (CH₂O) + H₂O + 2A.

Fotosintesi = utilizzo dell’energia solare per sintesi di molecole organiche. C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6H₂O + 6CO₂ + 38 ATP.

Chemiosintesi = trasformazione di molecole a bassa energia (CO₂) in molecole organiche ad alta energia (carboidrati); l’energia deriva da ossidazione di molecole inorganiche a base di azoto.

Decomposizione = ogni ossidazione biologica che produce energia.

• Respirazione aerobica: ossigeno gassoso molecolare è l’agente ossidante (accettore elettroni); reazione inversa a fotosintesi.
• Respirazione anaerobica: ossidante è altra sostanza inorganica (accettore elettrone è diverso da O₂); tipica nei solfobatteri (SO₄ ridotto a H₂S).
• Fermentazione: anaerobica ma ossidante è sostanza organica (composto ossidato è accettore elettroni); tipica dei lieviti.

Stabilità dell’ecosistema

Un sistema è stabile se l’interazione tra le sue componenti conferisce al sistema la proprietà di persistere nel tempo, fintanto che non sia soggetto a perturbazioni distruttive.

• Stabilità → equilibrio fra resistenza e resilienza

Capacità di resistenza = capacità di resistere ad una perturbazione esterna.

Capacità di resilienza = capacità di tornare in condizioni di equilibrio dinamico finita la perturbazione.

Mantenimento della resistenza

• Feedback negativi: si osservano nella dinamica delle popolazioni e nelle interazioni preda-predatore e ospite-parassita.
• Feedback positivi: si verifica quando il tasso di riproduzione si mantiene elevato determinando un numero sempre più elevato di discendenti ad ogni generazione. Incremento non può che essere illimitato nel tempo.
• Ridondanza delle componenti funzionali (omotassi congenerica): capacità da parte di differenti componenti del sistema di svolgere il medesimo ruolo.

Fine della resistenza

• Meccanismi di controllo non sono in grado di mantenere la stabilità in condizioni di stress eccessivo per sempre.
• Stato di resilienza si evolve verso fluttuazioni funzionali molto ampie.
• Sistemi di nuova formazione presentano.

Stabilità di resistenza e stabilità di resilienza sono inversamente proporzionali.

Flusso di energia

Biomassa = sostanza organica vivente su un'area o volume (gC*m^-2).

Produzione = variazione di biomassa nel tempo (gC*m^-2*t^-1).

Turnover = tasso di duplicazione della biomassa (t^-1).

Tempo di turnover = tempo necessario alla rigenerazione della biomassa (t).

Energia = capacità a compiere un lavoro (es. sole → 95% calore 5% biomassa CHO).

Principi della termodinamica

1. 1° Principio Termodinamica = l’energia si conserva: non può essere né creata né distrutta, ma solo trasformata.
2. 2° Principio Termodinamica = nessun processo che implica trasformazioni energetiche può avvenire senza che una parte sia degradata da forma concentrata a forma dispersa.

Organismi, ecosistemi e biosfera possono creare uno stato ordinato al loro interno, pur producendo calore (che innalzerebbe il valore dell’entropia) per il loro funzionamento e mantenimento. I sistemi viventi respirano producendo calore, parte del quale è utilizzato per mantenere l’ordine interno e “pompare” all’esterno l’entropia.

A cosa serve la fonte di energia?

• Produttività primaria = velocità con cui l’energia solare è trasformata in biomassa autotrofa.
• Produttività primaria lorda = quantità totale di energia necessaria alla formazione di un’unità di biomassa, compresa respirazione avvenuta durante la misurazione.
• Produttività primaria netta = quantità totale di energia necessaria alla formazione di un’unità di biomassa, al netto dell’energia utilizzata per respirazione.
• Produttività netta di comunità = produttività netta meno l’energia utilizzata dai consumatori eterotrofi, rapportata all’intero anno solare.
• Produttività secondaria = velocità con cui biomassa autotrofa viene trasformata in biomassa eterotrofa.

Fotosintesi

Permette di trasferire anidride carbonica CO₂ (carbonio nella forma ossidata), presente nell’atmosfera, alla sua forma ridotta (carboidrati), presente nei tessuti delle piante.

• Piante costituiscono 99% della materia vivente sulla terra.
• Molecole biologiche (C, H, N, O, P, S) sono caratterizzate da legami relativamente deboli o ridotti (ricchi di elettroni).
• Procedono spontaneamente verso situazioni di minore energia libera, reazioni chimiche caratterizzate da forti legami chimici e massimo disordine.
• Materia vivente si mantiene perennemente in stato di non equilibrio in quanto molecole continuano ad esistere in presenza di forte agente ossidante (come ossigeno atmosferico) → evoluzione verso stato di equilibrio porterebbe formazione di CO₂, H₂O e NO₃.
• Piante per mantenersi in vita devono processare energia del sole per rimanere in una situazione di non equilibrio termodinamico.

Bilancio in certe ere geologiche è rimasto a favore della produzione fotosintetica (si spiega elevata concentrazione di ossigeno sul pianeta). Eccesso produzione fotosintetica dal Cambriano (1.600.000.000 anni fa) è stata trasformata in depositi fossili senza essere respirata o decomposta.

Organismi fotosintetici

• Batteri (cianobatteri)
• Licheni (simbiosi tra cianobatterio e/o alga e un fungo)
• Muschi (briofite = prive di tessuti vascolari lignificati)
• Piante superiori (C₃, C₄, CAM)

Tipi di metabolismo delle piante superiori

C₃ (primo prodotto dell’organizzazione del carbonio consiste in molecole a 3 atomi di C):

• Alternanza tra Ciclo di Calvin e fotorespirazione → il primo consente accrescimento della pianta, il secondo limita accrescimento e consuma parte dell’ossigeno e della sostanza organica prodotti dalla fotosintesi.
• Massima efficienza in condizione di luce e T moderate → in condizioni di buio la fotosintesi è ferma e piante perdono CO₂ grazie a respirazione.
• Passaggio di fissazione della CO₂ alla catena carboniosa è mediato da enzima RUBISCO, che presenta elevate concentrazioni nelle foglie data la sua scarsa efficienza.
• 400-1000 g di acqua per produrre 1 g di materia secca.

C₄ (primo composto carbonioso che si forma ha 4 atomi di C):

• Adattate ad elevate intensità di luce e di T.
• Iniziale fissazione è mediata da enzima PEP-carbossilasi (non da RUBISCO) → efficiente in condizioni di limitazione di CO₂, ma uso è dovuto di più a carenza di acqua.
• <400 g di acqua per 1 g di materia secca.

CAM (Crassulean Acid Metabolism):

• Contengono cellule espanse che immagazzinano composti carbonio si con 4 atomi di C durante notte.
• Adattate ai climi aridi (riserve di acqua e acido crassulaceo) → sfrutta PEP-carbossilasi che agisce nella notte quando c’è minore perdita di acqua.