Ecologia, prof. Maltagliati

Ecologia: la rete della vita

Concetti chiave

Gli eventi del mondo naturale sono interconnessi. L'ecologia è la scienza che studia le interazioni tra gli organismi e il loro ambiente. Gli ecologi valutano le diverse ipotesi relative ai sistemi naturali attraverso osservazioni, esperimenti e modelli.

Malformazioni e declino delle popolazioni di anfibi

Nel 1995, in Minnesota, un gruppo di studenti riscontrò che 11 delle 22 rane leopardo (Rana pipiens) che avevano trovato erano gravemente malformate. Questa scoperta stimolò gli scienziati a verificare la presenza di deformità in altre parti del paese: furono trovate in 46 stati degli Stati Uniti e in più di 60 specie di rane, salamandre e rospi. Nel 1980 si evidenziò che a livello globale le popolazioni di anfibi sembravano essere in declino. Nel 1993 fu segnalata una diminuzione in termini di abbondanza e pericolo di estinzione per oltre 500 popolazioni di rane e salamandre.

Gli anfibi vengono considerati "indicatori biologici": hanno la pelle permeabile e le loro uova non presentano gusci o rivestimenti protettivi. La maggior parte di essi trascorre parte della vita in acqua e parte in terra. Queste tre condizioni espongono gli anfibi a una vasta gamma di potenziali minacce nell'ambiente: inquinamento dell'aria e dell'acqua, cambiamenti di temperatura e quantità di luce ultravioletta. Il declino di una popolazione in un dato luogo potrebbe indicare un peggioramento delle condizioni ambientali locali.

Gli esseri umani esercitano un enorme impatto sul nostro pianeta: le nostre attività hanno trasformato quasi la metà della superficie terrestre e hanno modificato la composizione dell'atmosfera con conseguente cambiamento climatico globale. Abbiamo inoltre introdotto molte specie in nuove aree. Per questo è importante prendere in considerazione i sistemi naturali, che sono il risultato dei modi in cui gli organismi interagiscono tra loro e con il loro ambiente fisico. L'ecologia è lo studio scientifico di come gli organismi influenzano altri organismi e il loro ambiente.

Connessioni in natura

Gli eventi del mondo naturale sono interconnessi. Tutti gli organismi sono collegati alle funzionalità del loro ambiente (tutti hanno bisogno di cibo, spazio e altre risorse). Interagiscono quindi con altre specie e con l'ambiente fisico per ottenere ciò di cui hanno bisogno per vivere. Anche le specie che non interagiscono direttamente tra loro possono essere collegate indirettamente dalle caratteristiche comuni del loro ambiente.

Ruolo dei parassiti (Ribeiroia)

Pieter Johnson effettuò un esperimento controllato in cui un gruppo sperimentale (con malformazioni) era confrontato con un gruppo di controllo (senza malformazioni). Scoprirono che quanto più il numero di parassiti aumentava, tanti meno girini sopravvivevano alla metamorfosi e tanti più sopravvissuti presentavano malformazioni. Il parassita Ribeiroia poteva causare malformazioni nelle rane. I parassiti potevano contribuire al declino numerico degli anfibi.

Esperimento di campo (pesticidi e parassiti)

Alcuni ricercatori sospettavano che altri fattori avrebbero potuto scatenare le malformazioni, come per esempio i pesticidi. Per esaminare i possibili effetti congiunti di pesticidi e Ribeiroia, Joseph Kiesecker condusse un esperimento di campo:

• Prese 6 laghetti, 3 contaminati da pesticidi e 3 non contaminati.
• Prese 6 gabbie, 3 in cui poteva entrare il parassita e 3 in cui non riusciva ad entrare.

Nei laghetti contenenti i pesticidi fu riscontrata una maggiore percentuale di rane malformate rispetto a quelle prelevate dai laghetti incontaminati.

Conclusioni: affinché si manifestassero malformazioni era necessaria l'esposizione a Ribeiroia e quando le rane venivano esposte al parassita, le malformazioni erano più numerose nei laghetti contaminati. Ipotesi: i pesticidi potevano diminuire la capacità delle rane di resistere alle infezioni da parassiti. Per verificare se i pesticidi avevano questo effetto, analizzò i girini in laboratorio, alcuni furono allevati in ambienti con pesticidi e altri senza, ma tutti esposti da Ribeiroia. I girini esposti ai pesticidi presentavano un minor numero di globuli bianchi, ovvero una soppressione del sistema immunitario.

Aumento della frequenza delle malformazioni

I primi pesticidi sono comparsi nel 1930 e il loro uso è aumentato notevolmente nel tempo. L'uso di fertilizzanti spesso stimola una maggiore crescita delle alghe che sono risorsa alimentare delle lumache che ospitano il parassita Ribeiroia. Questo è un esempio di come gli eventi nel mondo naturale siano strettamente collegati tra loro. Quando l'uomo altera un aspetto ambientale è in grado di causare altri cambiamenti che non sono immaginabili o prevedibili.

Inoltre, alcuni cambiamenti che stiamo apportando all'ambiente a scala locale e globale sembrano aver aumentato i rischi per la salute umana: AIDS, la malattia di Lyme, sindrome polmonare da hantavirus, Ebola, virus "West Nile".

Cos'è l'ecologia

È la scienza che studia le interazioni tra gli organismi e il loro ambiente. Gli ecologi riconoscono che i sistemi naturali non necessariamente tornano al loro stato di equilibrio dopo un disturbo e che le perturbazioni apparentemente casuali svolgono un ruolo importante in natura. Specie diverse spesso rispondono in modo diverso al mutare delle condizioni.

Gli eventi in natura sono interconnessi: una variazione in una parte di un sistema ecologico può alterare altre parti di tale sistema.

Scale ecologiche

Gli ecologi devono scegliere la dimensione più adatta o la tipologia di scala, sia temporale che spaziale:

• Spaziale piccola: misurazioni valutate su scala da cm a m (microrganismi)
• Spaziale grande: per esempio per una valutazione sugli inquinanti atmosferici
• Temporale breve: da secondi a ore (risposta delle foglie alla variazione di luce)
• Temporale lunga: da secoli a millenni o più (studi che usano dati fossili)

Livelli di organizzazione in uno studio

Gli studi ecologici di solito enfatizzano uno o più dei seguenti livelli:

• Popolazione: gruppo di individui della stessa specie che vivono in una particolare area geografica e interagiscono tra loro.
• Comunità: insieme di più popolazioni appartenenti a specie diverse che vivono nella stessa area. Gli studi ecologici a livello di popolazione e comunità spesso esaminano non solo gli effetti della componente biotica (vivente) ma anche quelli della componente abiotica (fisica).
• Ecosistema: comunità di organismi più l'ambiente fisico in cui essa vive.
• Paesaggi: aree che variano notevolmente da un luogo a un altro, generalmente includenti diversi ecosistemi.
• Biosfera: costituita da tutti gli organismi della Terra e gli ambienti in cui essi vivono.

Terminologia

• Evoluzione: può essere definita come un cambiamento nelle caratteristiche genetiche di una popolazione nel tempo o una discendenza modificata, processo attraverso il quale gli organismi accumulano gradualmente differenze rispetto ai loro progenitori.
• Adattamento: caratteristica o insieme di caratteristiche presentate da un organismo per migliorare le sue capacità di sopravvivere o di riprodursi nel suo ambiente.
• Selezione naturale: gli individui con particolari caratteristiche tendono a sopravvivere e a riprodursi con un tasso superiore a quello di altri individui. Se le caratteristiche selezionate sono ereditabili, la prole degli individui favorita dalla selezione naturale tenderà a presentare le stesse caratteristiche vantaggiose.
• Produttore: organismo che può produrre il proprio cibo utilizzando una fonte di energia esterna, senza dover mangiare altri organismi o loro resti.
• Consumatore: organismo che ricava la sua energia mangiando altri organismi o resti.
• Produzione primaria netta (PPN): quantità di energia persa sotto forma di calore metabolico nella respirazione cellulare.
• Ciclo del nutriente: movimento ciclico di un nutriente tra gli organismi e l'ambiente fisico. L'energia si muove attraverso gli ecosistemi in un'unica e sola direzione e non può essere riciclata. I nutrienti invece, vengono riciclati dall'ambiente fisico agli organismi.

Esperimenti e modelli

Gli ecologi valutano le diverse ipotesi relative ai sistemi naturali attraverso osservazioni, esperimenti e modelli. In un esperimento ecologico, un ricercatore modifica una o più caratteristiche ambientali e osserva gli effetti di tale cambiamento. Gli esperimenti includono sia un gruppo di controllo (non soggetto a modificazioni) che uno o più sperimentali. Gli ecologi hanno una serie di tipologie e scale da scegliere: studi in laboratorio, studi in campo e studi in campo su larga scala.

In alcuni casi risulta difficile o impossibile effettuare un esperimento in modo adeguato (grandi regioni geografiche su lunghi periodi). Un esempio è quello del riscaldamento globale: i dati della temperatura mostrano un riscaldamento globale ma la futura entità e gli effetti di questo rimangono incerti. Queste difficoltà devono essere affrontate con una combinazione di studi basati su osservazioni, esperimenti e approcci quantitativi (matematici e informatici). Il termine "cambiamento climatico" si riferisce a un cambiamento direzionale del clima che si sta verificando da più di 30 anni. Il clima influisce su molti aspetti ecologici: crescita e sopravvivenza degli individui, interazione tra membri di specie diverse e abbondanza di esse.

Progettazione di esperimenti ecologici

I livelli differenti del fattore che viene valutato sono spesso indicati come trattamenti differenti. La progettazione di molti esperimenti ecologici comprende 3 ulteriori passi: la replicazione, l'assegnazione casuale dei trattamenti e le analisi statistiche. Le prime due vengono usate per ridurre la possibilità che le variabili che non sono sotto il controllo dello sperimentatore influenzino i risultati dell'esperimento. Le analisi statistiche vengono usate per valutare la misura in cui i risultati dei diversi trattamenti differiscono l'uno dall'altro.

Ambiente fisico

Il clima è la componente fondamentale dell'ambiente fisico. I venti e le correnti oceaniche si originano dalle differenze di radiazione solare incidente sulla superficie terrestre. La circolazione atmosferica ed oceanica su larga scala determina gli andamenti globali delle temperature e delle precipitazioni. Il clima a livello regionale riflette l'influenza dei mari e dei continenti, delle montagne e della vegetazione. Le variazioni climatiche stagionali e a lungo termine sono associate ai cambiamenti della posizione della Terra rispetto al Sole. Salinità, acidità e concentrazione di ossigeno sono i principali fattori che determinano l'ambiente fisico.

Caso studio: variazione climatica e abbondanza di salmoni

Gli orsi grizzly del Nord Ovest del Pacifico si nutrono stagionalmente di salmoni. Questi ultimi sono anadromi, ossia nascono nei torrenti di acqua dolce, trascorrono la vita nell'oceano e tornano a deporre le uova nell'habitat di origine. Questi pesci sono una parte centrale anche della cultura dei Nativi Americani e una base economica per molte comunità costiere. La costruzione di dighe, l'aumento dei sedimenti nei ruscelli come conseguenza dell'abbattimento delle foreste, l'inquinamento delle acque e il sovrasfruttamento sono le cause associate al declino delle popolazioni di salmone.

Nel 1994 Steven Hare e Robert Francis suggerirono che i cambiamenti nell'ambiente marino possano contribuire al declino della loro abbondanza. Analizzando i dati relativi alla pesca in un arco temporale di oltre un secolo, hanno evidenziato che vi sono stati ripetuti periodi di bassa o alta produzione di pesci, che erano separati da bruschi cambiamenti di produzione. Nathan Mantua nel '97 ha evidenziato come periodi di elevata produzione di salmone in Alaska corrispondevano a periodi di bassa produzione in Oregon e nello Stato di Washington. Ipotizzarono che i cambiamenti improvvisi della produzione di salmone fossero associati a variazioni climatiche a lungo termine nel Nord Pacifico.

Il clima

L'ambiente fisico è il principale fattore determinante del luogo in cui gli organismi possono vivere, delle risorse che hanno a disposizione e del tasso di crescita della popolazione. La conoscenza dell'ambiente fisico è quindi la chiave per comprendere tutti i fenomeni ecologici. Il clima è la componente fondamentale dell'ambiente fisico.

Tempo meteorologico: le condizioni vigenti di temperatura, umidità, precipitazioni, vento e nuvolosità. Clima: descrizione a lungo termine del tempo in un determinato luogo, sulla base di medie e variazioni misurate nell'arco di decenni. I cambiamenti climatici a lungo termine si verificano a causa di cambiamenti dell'intensità e della distribuzione della radiazione solare che raggiunge la superficie della Terra, così come a causa dei cambiamenti del bilancio energetico globale. Attualmente il clima della Terra sta cambiando a causa delle concentrazione dei gas (CO₂) che vengono emessi dall'atmosfera come conseguenza delle attività umane. L'ambiente fisico deve anche essere caratterizzato dalla sua variabilità nel tempo. Dal punto di vista ecologico è importante anche il periodo temporale in cui avvengono i cambiamenti dell'ambiente fisico (la stagionalità delle piogge è importante nel determinare la disponibilità idrica per gli organismi). Il clima influenza la velocità dei processi abiotici e i tassi di disturbo periodico (incendi, inondazioni e valanghe), eventi che uccidono gli organismi e perturbano le comunità biologiche ma creano anche l'opportunità di ristabilirsi.

Bilancio energetico globale

La superficie dell'atmosfera terrestre riceve circa 342 watt di radiazione solare per metro quadro all'anno. Circa 173 viene riflessa verso l'esterno dell'atmosfera dalle nubi, dalla superficie terrestre e da minuscole particelle atmosferiche dette aerosol. Un quinto viene assorbito dall'ozono, dalle nubi e dal vapore acqueo nell'atmosfera. La restante metà è assorbita dal suolo e dall'acqua sulla superficie. Gran parte della radiazione assorbita dalla superficie terrestre viene riemessa sotto forma di radiazione infrarossa. La superficie terrestre perde energia e viene raffreddata quando l'acqua evapora. La perdita di calore dovuta all'evaporazione è nota come flusso di calore latente. L'energia viene inoltre trasferita attraverso lo scambio di energia cinetica tra molecole a contatto diretto (conduzione) e dal movimento di correnti d'aria e acqua (convezione). Il trasferimento di energia dall'aria calda al di sopra della superficie verso l'atmosfera più fredda tramite convezione e conduzione è detto flusso di calore sensibile. L'atmosfera contiene dei gas detti gas serra: vapore acqueo, anidride carbonica, metano e protossido di azoto. Se questi gas non fossero presenti la Terra sarebbe di 33 gradi più fredda. L'aumento delle loro concentrazioni causato dalle attività antropiche sta alterando il bilancio energetico della Terra.

Circolazione atmosferica e oceanica

Vicino all'equatore i raggi solari colpiscono la superficie terrestre in modo perpendicolare, mentre ai poli, l'inclinazione dei raggi diventa maggiore. Questo determina la formazione di gradienti latitudinali di temperatura e rappresenta la forza matrice delle dinamiche climatiche.

Celle di circolazione atmosferica

Una superficie riscaldata dal sole emette radiazione infrarossa e riscalda l'aria al di sopra di essa. L'aria calda è meno densa di quella fredda e per questo tende a salire (convezione o sollevamento). La pressione atmosferica diminuisce con l'altitudine, quindi, man mano che l'aria calda sale, si espande raffreddandosi. Mentre l'aria sale e si raffredda, il vapore acqueo in essa contenuto si condensa in goccioline e inizia a formare le nubi.

Quando si verifica un sostanziale riscaldamento della superficie terrestre e un'atmosfera progressivamente più fredda, l'aria sollevata forma le nuvole. Esse raggiungono il limite tra troposfera (strato sovrastante alla superficie) e la stratosfera (al di sopra della troposfera). I tropici ricevono maggiore radiazione solare così da avere una più ampia superficie riscaldata, un maggiore sollevamento d'aria e una maggiore formazione di nubi. Il sollevamento di aria nei tropici crea una striscia di bassa pressione atmosferica rispetto alle zone al nord e al sud. Quando l'aria che si solleva ai tropici raggiunge il limite tra troposfera e stratosfera, fluisce ai poli. Non appena l'aria raggiunge una temperatura simile a quella dell'atmosfera circostante, discende verso la superficie terrestre con un processo detto subsidenza. Questo processo crea regioni di alta pressione atmosferica attorno ai 30° di latitudine N e S, nelle quali si trovano i maggiori deserti della Terra. In ciascun emisfero, il sollevamento delle masse d'aria tropicali crea un andamento della circolazione atmosferica su larga scala noto come cella di Hadley. Un altro tipo di cella è quella polare che si trova ai poli: qua l'aria fredda e densa va incontro a subsidenza provocando la formazione dei "deserti polari" (scarse precipitazioni). A medie altitudini, in mezzo alle altre due celle, si trova la cella di Ferrel, azionata dal movimento delle altre due. Queste tre celle di circolazione atmosferica stabiliscono le principali zone climatiche della Terra: tropicale, temperata e polare.

Venti superficiali originati dalle celle

I venti soffiano da aree ad alta pressione verso aree a bassa pressione. Esistono schemi ricorrenti nel movimento dell'aria sulla superficie terrestre noti come venti prevalenti. Questi appaiono deviati...