Ecologia per scienze biologiche

Ecologia

L'ecologia studia l'ambiente in particolare le relazioni tra la componente biotica e la componente abiotica, cioè la relazione tra la vita e l'ambiente fisico. Per ambiente si intende tutto lo spazio fisico nel quale è possibile la vita; in generale la terra nella sua totalità può essere considerata ambiente dal momento che anche nei deserti e sulle calotte polari vivono batteri, anche negli abissi marini è possibile la vita. L'ambiente non comprende solo le componenti fisiche ma deve tener conto anche degli organismi viventi che interagiscono sia tra di loro sia con l’ambiente stesso, modificandolo.

Ogni variabile fisica, chimica o biologica dell'ambiente in grado di influire sulla vita di un organismo almeno in una fase del suo ciclo vitale assume il ruolo di fattore ecologico. Ci sono fattori ecologici di tipo abiotico che includono i fattori climatici, le caratteristiche fisiche e chimiche del suolo e delle acque, la luce, la temperatura, eccetera. Mentre i fattori ecologici di tipo biotico includono le interazioni intraspecifiche (competizione) e interspecifiche, cioè predazione, parassitismo, simbiosi mutualistica.

Ecosistemi

Un ecosistema è un sistema biologico aperto con una componente biotica e una abiotica che cambia nello spazio e nel tempo. Il funzionamento degli ecosistemi si fonda sul ciclo della materia e sul flusso di energia, essendo un sistema aperto e caratterizzato da un input e un output; questi sono dati da animali, piante, semi, materia organica, materia inorganica, cioè da una continua entrata e uscita di energia e materia. Un ecosistema può essere sia l'oceano con le sue caratteristiche, le sue risposte più o meno stabili, sia una pozzanghera con una vita spazialmente limitata e relativamente breve; può essere tutta la foresta ma anche un albero caduto e tutte le comunità sotto o sopra quell'albero.

L'ecosistema è un sistema dinamico che si evolve nel tempo; è un sistema aperto in quanto interagisce con gli altri sistemi della biosfera. Ha una sua zona di ingresso e una zona di uscita, quindi un input e un output. Ha una sua struttura organizzazione e un suo funzionamento dato dal flusso unidirezionale di energia ed al riciclo della materia. L'ecosistema scambia con gli altri ecosistemi la componente biotica, ad esempio migrazione, semi e spore. Il flusso di energia è unidirezionale perché l'energia solare viene trasformata e non può essere riutilizzata; i fotoni sono trasformati in energia chimica della fotosintesi con una certa perdita di calore per ogni passaggio da un organismo all'altro dell'ecosistema. La materia morta, detrito o necromassa, viene decomposta dagli organismi decompositori con la liberazione dei nutrienti di partenza.

Struttura e funzionamento degli ecosistemi

L'efficienza di questo riciclo di materia dipende dal tipo di ecosistema, dai fattori ambientali che interagiscono sul sistema e dagli input e output. Analizzando l'output e l'input del sistema, si possono fare delle considerazioni sulle dimensioni, sulle attività e sulle età del sistema che si sta prendendo in considerazione. Se l'input è molto grande, ci si può aspettare che il sistema sia in crescita e che sia giovane; se al contrario l'output è più grande dell'input, in quel caso si è di fronte a un sistema maturo in decrescita. Se invece l'input e l'output sono più o meno uguali, il sistema è più o meno vicino allo stato stazionario di equilibrio dinamico.

Un ecosistema semplice può essere caratterizzato da una grandezza di input principale costituita dalla luce solare, che serve agli autotrofi per la produzione di materia organica. Gli eterotrofi si cibano degli autotrofi e della materia organica, che può provenire sia dagli autotrofi sia come grandezza di input dall'esterno. I decompositori possono degradare la materia morta per produrre le sostanze nutritive che servono agli autotrofi, riciclando la materia. Il pool di sostanze nutritive si può anche accrescere grazie a un input dall'esterno. I flussi di immigrazione ed emigrazione degli eterotrofi costituiscono ulteriori grandezze di input e output del sistema.

Stabilità degli ecosistemi

Esistono tre tipi di stabilità di un sistema: la resistenza, cioè la capacità che il sistema ha di resistere a un disturbo e di mantenere la propria condizione di stabilità; la costanza, che consente alle variabili del sistema di oscillare intorno alla posizione di equilibrio in relazione alle risorse e ai fattori che si hanno a disposizione. Se arriva un disturbo come un fuoco o un uragano, l'ecosistema tenderà ad opporsi a quel disturbo. La resilienza è il tempo che quel sistema impiega per tornare alle condizioni di equilibrio.

I microsistemi si distinguono in naturali ed artificiali. Gli ecosistemi naturali sono in grado di auto sostenersi partendo da una fonte primaria di energia, cioè l'energia solare. Gli ecosistemi artificiali dipendono sempre dall'energia solare, ma non solo. Infatti, non sono in grado di auto sostenersi ma hanno bisogno di energia sussidiaria. Un esempio di ecosistema artificiale è l'agro-ecosistema. L'agro-ecosistema ha una bassissima biodiversità, cioè non ci sono più specie che svolgono la stessa funzione, per questo motivo basta un minimo cambiamento dell'ambiente per minare l'equilibrio precario dell'ecosistema. Non essendo presente il riciclo della materia, poiché la biomassa una volta prodotta viene sfruttata dall'uomo, è necessario un aiuto esterno, e in questo caso è l'uomo che utilizza fertilizzanti e pesticidi per fornire l'energia sussidiaria.

Processi ecologici

I principali processi che avvengono nell'ecosistema e che garantiscono il funzionamento del flusso di energia sono: fotosintesi (aerobia e anaerobia), respirazione, fermentazione e decomposizione. Gli autotrofi sono chiamati i produttori primari e sono i maggiori artefici della formazione di materia organica. La biomassa dei produttori viene utilizzata dagli eterotrofi, che sono i consumatori primari. Gli eterotrofi che si nutrono dei consumatori primari, quindi i consumatori secondari, alla loro morte formano detrito. La decomposizione e la mineralizzazione rappresentano un passaggio dalla materia organica a quella inorganica.

Si forma una catena trofica in cui ogni organismo diventa cibo di un organismo del livello trofico successivo, e questa catena trofica è il mezzo che permette il continuo del ciclo della materia e del flusso di energia. Il ruolo di ciascun organismo nella catena trofica è dettato dalle abitudini alimentari dell'organismo. In un ecosistema esistono più catene alimentari che interagiscono tra loro, quindi il funzionamento del sistema non è definito da una singola catena trofica ma dalla rete trofica, cioè il sistema delle catene alimentari presente nell'ecosistema e dalle relazioni che le legano.

Livelli trofici

Il primo livello trofico è costituito dai produttori. Gli erbivori sono i consumatori primari e rappresentano il secondo livello trofico. Chi mangia gli erbivori sono i consumatori secondari e rappresentano il terzo livello trofico. Ai consumatori secondari seguono i consumatori terziari, che mangiano i consumatori secondari e che molto spesso non hanno predatori, essendo i consumatori terminali. Nel loro ciclo vitale, alcuni organismi appartengono a livelli trofici diversi, ad esempio il girino e la rana adulta. Ci sono poi organismi che appartengono contemporaneamente a più livelli trofici, come l'uomo, che si nutre dei produttori primari, dei consumatori primari e dei consumatori secondari.

Bisogna distinguere due tipi di catene trofiche: la catena del pascolo e la catena del detrito. Nella catena del pascolo si prendono in considerazione tutti gli organismi che hanno come punto di partenza i consumatori primari, ossia gli erbivori. Nella catena del detrito si parte invece dai decompositori. In entrambe le catene, si parte sempre dall'energia solare, che è la fonte primaria di energia. Le due catene sono strettamente correlate tra loro; senza la catena del pascolo non ci sono animali che, quando muoiono, producono il detrito. Inoltre, i consumatori possono nutrirsi sia di rappresentanti della catena del pascolo sia della catena del detrito, costituendo quindi i punti di contatto tra le due catene.

Produzione e produttività

Il numero dei produttori primari influenza la quantità di energia potenziale che viene prodotta dall'ecosistema. In un ecosistema terrestre, solo il 10-20% della biomassa che viene prodotta dai produttori primari passa agli erbivori. Nell'ecosistema acquatico si può avere il 50% o addirittura più del 50% di biomassa che passa dai produttori al livello trofico successivo. In una foresta, la fotosintesi viene effettuata solo dalle foglie degli alberi, che vengono mangiate poi dagli erbivori. Alla base della catena trofica, le specie di una catena trofica possono essere distinte in specie basali, intermedie e terminali. I carnivori che si nutrono delle prede ma che non vengono predati sono specie terminali. Le specie basali sono predate ma non predano, cioè i produttori primari che sono mangiati dagli erbivori. Le specie intermedie hanno sia predatori che prede. Le reti trofiche non sono molto lunghe; in genere si basano su 4-5 livelli trofici e le reti trofiche terrestri sono meno complesse di quelle acquatiche. La presenza di una rete trofica complessa garantisce maggiore stabilità di un ecosistema, perché dal momento che ci sono tante specie in uno stesso livello trofico, se succede qualcosa a una di queste specie, il livello trofico non si annulla.

Processi ecosistemici

I processi ecosistemici sono tutti i processi che avvengono all'interno di un ecosistema e garantiscono il flusso unidirezionale di energia e il riciclo della materia. I processi ecosistemici fondamentali sono fotosintesi, chemiosintesi, respirazione anaerobia e aerobia, fermentazione e decomposizione. La fotosintesi e la chemiosintesi sono i processi alla base della produttività primaria di un ecosistema perché producono sostanza organica. La respirazione aerobia ed anaerobia è il processo attraverso il quale viene prodotta energia chimica come ATP e viene dissipato calore. La fermentazione è un processo attraverso il quale viene ossidato un composto organico ed è opera di batteri e lieviti. Grazie alla decomposizione, la materia può essere riciclata; la decomposizione restituisce all'ecosistema i nutrienti indispensabili affinché il ciclo della materia possa andare avanti e le piante possano continuare con quei nutrienti a fare fotosintesi e quindi produttività.

Fotosintesi e chemiosintesi

La differenza tra respirazione aerobia, respirazione anaerobia e fermentazione si basa sugli accettori terminali di elettroni. Nella respirazione aerobia l'accettore terminale è l'ossigeno, nella respirazione anaerobia sono alcune sostanze inorganiche, nella fermentazione come accettore terminale non ci sono ossigeno né altre sostanze inorganiche ma sostanze organiche. Chemiosintesi e fotosintesi sono processi effettuati da organismi autotrofi. Un organismo autotrofo è un organismo che produce per sé nutrimento e funge a sua volta da nutrimento per gli altri anelli successivi della catena alimentare. I fototrofi utilizzano la luce come fonte di energia, la loro autotrofia. I chemiotrofi utilizzano composti inorganici come fonte di energia. Un batterio chemiotrofo include i batteri nitrificanti che ritroviamo nel ciclo dell'azoto. La chemiosintesi avviene al buio, quindi i chemiotrofi rivestono un ruolo fondamentale in quegli ecosistemi dove non c'è luce.

Per quanto riguarda la fotosintesi, esiste una fotosintesi ossigenica e una fotosintesi anossigenica. La fotosintesi ossigenica avviene in ambienti dove è presente l'ossigeno. Quella anossigenica avviene in ambienti anossici, cioè dove non c'è ossigeno. Fanno fotosintesi ossigenica le piante superiori, le alghe, i batteri fotosintetici che hanno clorofilla. Fanno fotosintesi anossigenica i batteri verdi che si trovano nei laghi e nei stagni, dove non penetra molta luce e dove l'ambiente ha pochissimo ossigeno o non ne ha affatto.

Produzione primaria e secondaria

Con il termine produzione si intende la quantità di biomassa prodotta. La produzione primaria lorda è la quantità di energia solare assorbita che viene trasformata in energia chimica. L'energia assimilata può essere poi conservata nella biomassa o utilizzata per la respirazione. La produzione primaria netta invece tiene conto solo di quello che effettivamente diventa biomassa e non dell'energia che viene consumata con la respirazione; è data dalla differenza tra produzione primaria lorda e respirazione. La produzione secondaria è riferita alla produzione di biomassa da parte degli organismi che consumano i produttori primari (erbivori).

Produttività

Con il termine produttività si intende la velocità con cui questi processi avvengono, quindi come varia la produzione nel tempo. La produttività primaria lorda è trasformata in energia chimica dei produttori. La produttività primaria netta invece tiene conto della velocità con cui viene prodotta biomassa, tenendo conto che una parte di energia è stata consumata con la respirazione. La produttività di un ecosistema può essere associata alla comunità. In una comunità ci sono organismi autotrofi responsabili della produttività primaria e organismi eterotrofi responsabili della produttività secondaria. Con la produttività primaria, l'energia radiante viene trasformata in sostanza organica per quanto riguarda i fototrofi. Per quanto riguarda i chemiotrofi, l'energia chimica dei composti inorganici viene trasformata in sostanza organica. Il prodotto finale è lo stesso, ma la modalità di raggiungimento è diversa.

Per quanto riguarda la produttività primaria, si distinguono produttività lorda e netta. Nella produttività primaria lorda si considera l'azione, nella produttività primaria netta si considera il processo di produttività al netto della respirazione, cioè togliendo quello che il produttore primario utilizza per il mantenimento. Ci aspettiamo la produttività più grande laddove i fattori sono più favorevoli, e cioè nelle zone equatoriali dove c'è luce non limitante, temperatura non limitante e non c'è alternanza di stagioni. La foresta pluviale ha più piani vegetazionali con vegetazione stratificata da 0 fino a 60-70 m. Diversamente da quella mediterranea, risulta essere più produttiva dal momento che le condizioni climatiche sono costanti tutto l'anno.

Produttività negli ecosistemi agricoli e acquatici

Nell'ecosistema agricolo, la produttività è elevata perché l'uomo fornisce energia sussidiaria sotto forma di acqua di irrigazione e di concime. Negli ambienti acquatici, uno dei fattori limitanti è la carenza di nutrienti. I nutrienti in oceano aperto possono provenire dalla decomposizione degli organismi, dagli escrementi, dalle alghe e dallo zooplancton. Gli estuari sono delle zone in cui le acque dei fiumi molte volte si mescolano alle acque dei mari, per cui sono acque salmastre in cui si possono trovare specie più abbondanti perché ci sono nicchie ecologiche a disposizione. Nelle acque dei mari, la produttività è più elevata vicino alle coste e meno elevata in mare aperto perché cominciano a scarseggiare i nutrienti.

In ambiente acquatico, la maggior parte dei produttori primari sono il fitoplancton, organismi fotosintetizzanti fluttuanti che quindi hanno la capacità di muoversi lungo la colonna d'acqua. Le piante superiori in questi ecosistemi hanno come fattore limitante per eccellenza la luce; in base a questo fattore possiamo dividere il mare in tre fasce: zona eufotica, in cui penetra la luce, zona batiale, in cui c'è luce ma comincia a essere scarsa e cominciano a essere scarsi anche gli organismi autotrofi, e la zona abissale, dove c'è buio totale. Dalla zona eufotica alla zona abissale si ha una diminuzione graduale della luce perché molti corpi idrici non sono limpidi ma hanno materiale in sospensione che fa penetrare la luce in maniera differente e non lineare.

Nella zona eufotica c'è un eccesso di produzione rispetto alla respirazione; il metabolismo autotrofo prevale su quello eterotrofo. Arrivati ad un certo punto, quando la luce comincia a scarseggiare, ci sarà il punto in cui la produzione sarà uguale alla respirazione, il punto di compensazione. Quando non c'è luce, la respirazione è maggiore della produzione e quindi l'eterotrofia prevale sull'autotrofia. In profondità si ha non solo una riduzione di quantità ma anche una riduzione della qualità della luce. La luce che arriva dal sole consiste di diverse componenti: i raggi infrarossi, la luce visibile, i raggi ultravioletti, ma quella necessaria per la fotosintesi è la luce PAR tra i 400 nanometri e 700 nanometri.

Produttività misurazione

In ambiente acquatico, le radiazioni rosse della luce visibile vengono assorbite immediatamente; più in profondità penetrano le radiazioni blu, che vengono rifratte, e ancora più giù arrivano le radiazioni verdi. La produttività si può misurare come energia che viene convertita nel tempo (kcal x m^-2 x anno^-1). Si può anche considerare la sostanza organica prodotta, come per il metodo del raccolto, dove tagliando la biomassa epigea e pesandola si ottiene il peso della biomassa prodotta dall'organismo nell'unità di tempo per unità di superficie.