Riassunto esame Ecologia, prof. Tomasello, libro consigliato Per il nostro ambiente minacciato, Odum

Ambiente e sopravvivenza - Capitolo 1

Lo stadio primordiale della terra non era in grado di ospitare forme di vita. Le prime forme microbiche erano costrette ad un ambiente privo di ossigeno, colpito da radiazioni ultraviolette letali, condizioni fatali per lo sviluppo di forme di vita. In milioni di anni, gli organismi, interagendo con i processi geologici, hanno gradualmente modificato l'ambiente, arricchendo l'atmosfera di ossigeno e formando un mantello verde sulla superficie della terra capace di trasformare l'energia solare in forme di cibo, così da potersi sviluppare una grande varietà di creature.

Categorie di ambiente

È possibile suddividere il territorio del pianeta in tre grosse categorie: ambiente sviluppato, coltivato e naturale.

• Ambiente sviluppato: comprende città, zone industriali e corridoi di trasporto o collegamento come autostrade e aeroporti. Dal punto di vista energetico, tale ambiente corrisponde a un sistema a combustibili fossili, l’energia infatti deriva da combustibili fossili (carbone, petrolio e gas naturali) che si sono formati durante le ere precedenti. L’ambiente sviluppato copre una piccola parte della Terra, ma è caratterizzato da una forte densità di energia in quanto produce una tale quantità di rifiuti da avere un enorme impatto sugli altri due tipi di ambiente.
• Ambiente coltivato: comprende terre agricole come fattorie, foreste e boschi controllati, laghi e invasi artificiali. La finalità principale di tale ambiente è di promuovere la produzione di cibo e di fibre per l’uso diretto dell’uomo. L’ambiente coltivato ha le caratteristiche tipiche di un sistema ad energia solare, il sole offre l’energia fondamentale, ma essa è incrementata dal lavoro umano attraverso macchinari e fertilizzanti.
• Ambiente naturale: opera senza alcun flusso energetico o economico direttamente controllato dall'uomo, perché è un sistema fondato sull'energia solare in quanto solo dalla luce del sole e da altre forze della natura come pioggia o vento, può trarre nutrizione e auto-mantenersi. Anche la gravità gioca un ruolo importante in quanto è coinvolta nel movimento delle acque. L’ambiente naturale comprende, oltre a zone poco frequentate, anche ruscelli naturali, fiumi, oceani, laghi. L’ambiente naturale e l’ambiente coltivato, insieme, hanno le caratteristiche di ciò che viene chiamato sistema per la sopravvivenza perché forniscono ciò che è necessario per il sostentamento fisico.

Livelli di organizzazione - Capitolo 2

Lessico ecologico

Si definisce gerarchia un arrangiamento di compartimenti in serie progressiva. Con il termine popolazione intendiamo gruppi di individui di specie che vivono nella stessa area (popolazione di uccelli). Il termine comunità, che in ecologia viene intesa come comunità biologica, include tutte le popolazioni che vivono in una determinata area. L’ecosistema invece indica il funzionamento congiunto tra comunità e l’ambiente non vivente. Un sinonimo di ecosistema è biogeocenosi, che letteralmente significa “vita e terra funzionanti insieme”.

I gruppi di ecosistemi che comprendono il frutto dell’attività umana formano il paesaggio che a sua volta fa parte di una regione più ampia chiamata bioma (oceano, prateria). La biosfera è un concetto molto generale che indica l’unità funzionale costituita da tutti gli ecosistemi del paese; in essa sono compresi tutti i livelli di gerarchia ecologica che vengono coinvolti in processi biologici. Inoltre, la biosfera include la litosfera (rocce, sedimenti, mantello), idrosfera (acqua superficiale e sotterraneo) e l'atmosfera.

Struttura dell'atmosfera

L'atmosfera è l'involucro di gas (azoto, ossigeno, argon, anidride carbonica, neon, elio, metano, krypton, idrogeno, xeno) e al contempo partecipa alla sua rotazione attorno al proprio asse. Ha una struttura piuttosto complessa e suddivisa in sei strati, chiamati sfere, che dal basso in ordine di altezza sono: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera, ionosfera, esosfera.

Sistemi ecologici

Un sistema ecologico è un insieme di "componenti della natura” che interagiscono per la realizzazione di determinati processi. Tale insieme manifesta proprietà nuove non sempre deducibili dalle proprietà delle parti componenti e dovute alle interazioni tra le parti stesse. Queste proprietà sono denominate "proprietà emergenti" e la loro presenza conferisce all'insieme l’identità di "sistema". Ciò tende a sottolineare la tendenza olistica dell’ecologia sia delle parti che dell’intero: cioè l’intero è qualcosa di più della somma delle parti.

Un esempio di “proprietà emergenti” avviene quando i funghi (mycorrhizae) colonizzano le radici degli alberi, la combinazione fungo-radice è capace di estrarre nutrienti in maniera molto più efficiente che non le radici da sole. La capacità dei sistemi biologici e ambientali di resistere al cambiamento e di rimanere in una condizione di equilibrio viene chiamata omeostasi. Un esempio è l’integrazione di processi biotici e fisici che mantengono la quantità di anidride carbonica e di altri gas costante nella biosfera.

Tipi di sistemi

Possiamo distinguere i sistemi in aperti e chiusi. Un sistema aperto ha uno o più flussi di entrata e di uscita. Per esempio, la biosfera è un sistema aperto in cui energia solare e materia cosmica entrano, mentre radiazioni infrarosse ed alcune molecole gassose fuoriescono. Un acquario è anche un sistema aperto perché la luce entra e il calore fuoriesce anche se può risultare un sistema chiuso alla materia; quindi, un sistema ambientale è un sistema aperto.

Un sistema chiuso va concepito invece in completo isolamento, senza flussi di alcun genere in entrata od in uscita, come ad esempio un recipiente chiuso contenente acqua, in cui il ciclo di evaporazione e condensazione si realizza senza perdite verso l'esterno.

I sistemi aperti possono essere distinti in:

• Sistemi dipendenti: sistemi che dipendono dall’ambiente esterno che fornisce entrate ed accetta uscite.
• Sistemi cibernetici: sistemi che, pur avendo entrate ed uscite, usano meccanismi di retrocontrollo o feedback. Fondamentalmente l’idea di feedback o retrocontrollo è che una certa quantità della energia in uscita dal sistema viene usata per controllare alcune caratteristiche delle entrate nel sistema. Un sistema cibernetico possiede usualmente uno stato ideale, cioè uno stato o punto al quale il sistema mantiene stabile il suo stato.

Un esempio di sistema cibernetico comune a tutti noi è il termostato del riscaldamento il cui stato ideale è rappresentato dal valore di temperatura impostato. Quando la temperatura esterna supera il valore impostato, un meccanismo interno si attiva e controlla l’input di corrente elettrica del sistema che la riduce. Il contrario accade quando la temperatura esterna scende al di sotto dello stato ideale precedentemente impostato. Questo meccanismo di retrocontrollo viene chiamato feedback negativo. Viene chiamato negativo perché blocca o inverte la tendenza in atto. Il sistema cibernetico può tuttavia presentare anche un retrocontrollo positivo, detto feedback positivo. Un retrocontrollo positivo è un meccanismo che incrementa la tendenza di un sistema a spostarsi dal punto di equilibrio. Un esempio di retrocontrollo positivo è quello che, in talune condizioni, non ci consente di mantenere costante la nostra temperatura corporea.

La stabilità è una caratteristica dei sistemi che per definizione indica persistenza. Così, una comunità di piante, microbi ed animali (un insieme di elementi viventi nella stessa area e nello stesso tempo) è stabile se persiste nel tempo, cioè non subisce significative variazioni che superino le abituali oscillazioni dei rapporti numerici tra le varie forme viventi e dei tassi dei processi ecosistemici (es.: produzione, decomposizione, riciclo dei nutrienti). Le comunità che possono essere osservate con una certa continuità, possiedono verosimilmente delle proprietà che conferiscono stabilità. Queste proprietà sono centrali nello studio dell’ambiente.

È necessario identificare i diversi possibili due tipi di stabilità:

• Stabilità di resilienza: descrive la velocità con la quale un sistema (o comunità) ritorna nella condizione precedente ad un evento perturbativo che possa aver spostato i rapporti numerici tra le forme di vita o i valori dei tassi di processo, dalla loro condizione precedente alla perturbazione stessa.
• Stabilità di resistenza: descrive, invece, l’abilità del sistema di evitare spostamenti dalla propria condizione.

Per studiare un sistema ecologico è necessario utilizzare un modello ossia una formulazione semplificata che imita un fenomeno del mondo reale in modo tale che le situazioni complesse possano essere facilmente comprese. I modelli possono essere verbali o grafici. Esso, per rappresentare esattamente una situazione ecologica, dovrebbe avere almeno i seguenti componenti: Proprietà, Forze, Vie di flusso, Interazione e Anelli di retrocontrollo.

La figura rappresenta un modello grafico in cui due forze P1 e P2 interagiscono per produrre o modificare una terza proprietà quando il sistema è pilotato dalla forza E. Vi sono inoltre 6 Vie di flusso, in particolare F1 ed F6 formano rispettivamente l’input e l’output. Vi è anche rappresentato un anello di retrocontrollo o di feedback che sta a significare il rientro nel sistema di una parte delle uscite L.

Un esempio di modello potrebbe essere la produzione di smog nell’atmosfera. P1 e P2 rappresentano idrocarburi e ossidi di azoto, due componenti dei gas di scarico delle automobili. Sotto l’azione della luce solare, E, le due componenti interagiscono creando una nuova sostanza, lo smog fotochimico P3 che è un inquinante più fastidioso dei precedenti. Un effetto di feedback potrebbe essere l’effetto di concentrazione di smog nell’aria sul tasso di produzione di nuovo smog.

L'ecosistema - Capitolo 3

L’ecosistema indica il funzionamento congiunto tra comunità e l’ambiente non vivente. Gli ecosistemi sono sistemi aperti caratterizzati da elementi di input e output che entrano ed escono continuamente. Graficamente un ecosistema è caratterizzato da una scatola che chiameremo sistema e due grandi imbuti che chiameremo ambiente di input e ambiente di output.

Energia negli ecosistemi

L'energia è un input necessario; in particolare il sole è la fonte di energia per la biosfera e mantiene la maggior parte degli ecosistemi naturali contenuti nella biosfera. Esistono però altre forme di energia come il vento, pioggia, i combustibili (principale fonte di energia per la città moderna). L’energia inoltre fluisce anche fuori dagli ecosistemi sotto forma di calore ed altre forme trasformate come la materia organica.

All’interno del sistema esistono due grandi componenti biologiche:

• Componente autotrofa: (che si auto mantiene) capace di fissare l'energia luminosa e di creare cibo partendo da sostanze inorganiche semplici (ad esempio acqua, anidride carbonica e nitrati) attraverso il processo della fotosintesi. Per tale motivo questi organismi vengono chiamati anche produttori.
• Componente eterotrofa: (si alimenta da fonte diversa) che utilizza, riarrangia e decompone i materiali complessi sintetizzati dagli autotrofi. Essi comprendono funghi, batteri non fotosintetici e gli animali, incluso l’uomo. Vengono detti anche consumatori, perché non sono capaci di produrre cibo a loro necessario che devono ottenere consumando altri organismi.

Differenze tra ecosistemi terrestri e acquatici

È possibile notare la contrastante differenza che vi è tra gli ecosistemi terrestri e quelli acquatici. In particolare, essi sono popolati da differenti tipi di organismi, nonostante ciò sono presenti le stesse componenti ecologiche fondamentali che funzionano allo stesso modo in entrambi gli ecosistemi.

Sulla terra gli autotrofi predominanti sono le piante con le radici che variano nelle dimensioni. Anche sulla riva di stagni o altri luoghi con acque poco profonde vi è la presenza di piante acquatiche fornite di radici, ma nelle vaste distese di acqua gli autotrofi sono microscopici vegetali sospesi chiamati fitoplancton. Dunque, un’ulteriore differenza che si può considerare è la diversa biomassa (peso secco di ciò che vive) o produzione stabile.

Nonostante la forte discrepanza di biomassa, una piccola quantità di fitoplancton riesce a costituire la stessa quantità di cibo di una grande quantità di piante grandi perché il tasso metabolico degli organismi piccoli è molto elevato. A questo proposito è possibile introdurre il concetto di turnover, ossia il rapporto che vi è fra la quantità stabile della componente biotica o abiotica e il ricambio della quantità stabile stessa. Anche la differenza di turnover e di biomassa tra ecosistemi terrestri e acquatici è accentuata. Infatti, sulla terra la biomassa vegetale tende ad accumularsi nel tempo, mentre nel mare si accumula poca biomassa perché c’è un veloce ricambio.

Ecosistemi eterotrofi

Per quanto riguarda gli ecosistemi eterotrofi, sono sistemi che devono ottenere cibo ed altra energia dall’esterno. Un esempio per eccellenza di ecosistema eterotrofo è la città. Esse devono essere collegate con sistemi autotrofi adeguati che possano fornire cibo ed altre forme di energia (come anche le materie prime) che siano in grado di assimilare il grande output di rifiuti che viene prodotto dalla città.

Componenti abiotici

I componenti abiotici sono dei composti inorganici semplici presenti sulla superficie della terra o vicino ad essi, alcuni essenziali per la vita. Vengono chiamate sostanze biogeniche o nutrienti. Essi tendono ad essere ritenuti e riciclati all’interno dei sistemi viventi in misura maggiore rispetto alle sostanze non essenziali. Alcuni di essi sono richiesti in grandi quantità, i macronutrienti (carbonio, idrogeno, azoto, fosforo, calcio). Altri elementi non meno vitali dei macronutrienti e definiti micronutrienti o nutrienti presenti in tracce, sono richiesti in piccole quantità dagli organismi (ferro, magnesio, manganese, zinco, cobalto e molibdeno). Senza il molibdeno, ad esempio, i microrganismi non sono in grado di trasformare l’azoto in ammoniaca e nitriti per le piante.

La componente organica dell’ambiente abiotico è formata da carboidrati (zuccheri, amido), proteine (compresi gli amminoacidi) e lipidi (oli, grassi) che costituiscono il corpo degli organismi viventi ma anche di forme non viventi. Quando i corpi degli organismi si decompongono si disperdono in frammenti e materiali disciolti chiamati detrito organico. Poiché la biomassa vegetale è maggiore di quella animale e data la lentezza nella decomposizione dei vegetali, il detrito vegetale è più grande rispetto a quello di origine animale. Inoltre, il detrito, oltre ad essere una fonte di cibo per i saprotrofi, opera migliorando il tessuto del terreno.

Esistono tuttavia materiali resistenti alla decomposizione chiamati humus o sostanze umiche e che rimangono per un certo tempo come parte strutturale dell’ecosistema. Esse sono delle sostanze scure giallo-bruna facilmente visibile nel suolo o sospesa nelle acque dei ruscelli o degli acquitrini.

Fattori fisici dell'ambiente abiotico

Un altro componente della parte abiotica dell’ambiente sono i fattori fisici che determinano le condizioni di esistenza della comunità biotica. I principali sono il clima (la temperatura, umidità, vento), natura fisicochimica del suolo e dell'acqua (ossigeno, azoto, acqua, salinità, pH), e il substrato geologico (tipo di rocce, tipo di terreno).

La biosfera è caratterizzata da una serie di gradienti o zonazioni di fattori fisici (differenze di temperatura tra un punto e un altro della crosta terrestre), ad esempio il gradiente di temperatura dall'Artico fino ai tropici, i gradienti di umidità dal molto umido al secco. Spesso le condizioni degli organismi cambiano gradualmente lungo un gradiente, tuttavia si hanno frequentemente dei punti di cambiamento improvviso conosciuti come ecotoni. Ad esempio i punti di incontro fra la prateria e la foresta. La caratteristica degli ecotoni è la loro diversità di flora e fauna. Spesso infatti si incontrano più specie di uccelli nell’ecotono fra foresta e prateria che non all'interno di una di queste. Questo è il cosiddetto effetto margine.

Comunità biotica

I diversi tipi di organismi che vengono incorporati nella comunità biotica, variano oltre che per le condizioni di esistenza anche per le diverse regioni geografiche. È possibile quindi trovare specie ecologicamente simili, o equivalenti ecologici, in parti del mondo diverse laddove tali specie hanno le stesse funzioni e l’ambiente fisico è simile (i canguri erbivori delle praterie australiane sono equivalenti ecologici dei bisonti delle praterie nord americane, visto che hanno una posizione funzionale simile).

Da qui possiamo inserire il concetto di habitat ossia il luogo in cui una specie può essere trovata e di nicchia ecologica ossia il ruolo ecologico di un organismo in un ambiente.