Ecologia - riassunto

Indice

• Biologia vegetale
• Ecologia di popolazione
• Ecologia di comunità
• L'albero - Ecologia applicata agli ecosistemi
• Cenni sulla gestione delle risorse
• Classificazione dei viventi naturali
• Pedologia

Biologia vegetale

• La luce
• La temperatura
• Cenni di chimica organica
• Il ciclo idrogeologico
• Composti organici
• Le precipitazioni
• Carboidrati
• Il clima e le classificazioni climatiche
• Lipidi
• Proteine

Cenni di chimica organica

Dei 92 elementi presenti in natura, nella materia vivente ne ritroviamo solo un piccolo numero. In particolare circa il 99% degli organismi è costituito da 6 soli elementi (carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, zolfo e fosforo) che sono presenti nelle cellule sotto forma di composti organici e di acqua. L'acqua è molto abbondante: costituisce in media oltre il 50% della materia vivente, e può salire al 90% e oltre nei tessuti vegetali. Altri elementi (come il calcio, il magnesio, il sodio, il potassio, ecc.) sono presenti in piccolissime quantità (meno dell'1%), ma non per questo, sono meno importanti.

Composti organici

I composti organici più semplici (il metano, per esempio) contengono carbonio e idrogeno, ma quelli che interessano per lo studio della biologia contengono tutti anche l'ossigeno (carboidrati e lipidi); oltre all'ossigeno altri composti contengono l'azoto e lo zolfo (proteine) oppure l'azoto e il fosforo (acidi nucleici). Rispetto ai composti inorganici (che hanno molecole di piccole dimensioni, con scarso contenuto energetico di legame e quindi forte inerzia e stabilità), le molecole organiche sono molto grandi e complesse e nel loro legame chimico è accumulata una grande energia, energia che può in molti casi (come quella contenuta in tanti carboidrati) essere facilmente liberata.

È possibile farsi un’idea della quantità di energia pensando al calore sprigionato durante la combustione del legno: durante questo processo le complesse molecole organiche che costituiscono il legno si trasformano in molecole inorganiche molto semplici quali acqua, anidride carbonica e azoto (in forma elementare oppure come ossido o come ammoniaca) che si volatilizzano, mentre nel focolare restano solo le ceneri.

Il legno per bruciare ha bisogno di ossigeno. Questo elemento è presente molto spesso nelle reazioni che comportano trasferimento di elettroni: esso è infatti un buon accettore di elettroni, avendo per questi una grande affinità e inoltre si trova nell'aria in gran quantità. In generale dunque le reazioni che comportano una perdita di elettroni vengono chiamate reazioni di ossidazione. L'acquisto invece di elettroni da parte di un atomo o molecola viene detto riduzione. Reazioni come l'ossidazione, che comportano liberazione di energia, vengono dette esoergoniche: si parla anche di un processo "in discesa", ciò vuol dire che tali reazioni possono avvenire spontaneamente in natura. Le reazioni di riduzione invece, per avvenire, necessitano di somministrazione di energia, vengono pertanto dette endoergoniche (potrebbero essere definite "reazioni in salita").

Nel mondo vivente il principale processo che porta alla liberazione dell'energia necessaria al funzionamento degli organismi, ovverosia la respirazione, consiste in un insieme di reazioni che comportano l'ossidazione del glucosio. Se si volesse rimettere insieme le ceneri rimaste nel focolare con le sostanze che si sono volatilizzate (H₂O e CO₂) per "tornare indietro", ovverosia per riprodurre la sostanza organica bruciata, ci si rende conto che non solo tale processo richiede un quantitativo enorme di energia, ma che noi non siamo capaci di effettuarlo. Solo le piante sono in grado, sfruttando a tale scopo l'energia fornita dal sole, di effettuare quella che si chiama "organicazione del carbonio", di trasformare cioè il carbonio inorganico presente nella CO₂ atmosferica in carbonio organico contenuto nel glucosio e nei carboidrati che da esso derivano. Le reazioni che portano a questo risultato, che consistono nella riduzione del carbonio, sono fortemente endoergoniche. Questo processo prende il nome di fotosintesi clorofilliana: si tratta cioè di una sintesi di sostanza organica, effettuata sfruttando l'energia luminosa ("fotos" = luce), grazie ad una molecola speciale che solo le parti verdi della pianta contengono, la clorofilla.

Carboidrati

I carboidrati o zuccheri, costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno, sono i composti organici più abbondanti in natura. Essi hanno sia una fondamentale funzione energetica (sono infatti il combustibile che viene bruciato liberando energia durante il processo respiratorio), sia una importantissima funzione strutturale. Devono il loro nome al fatto che gli elementi che li costituiscono sono presenti nella loro molecola nella proporzione di un atomo di ogni due di idrogeno e uno di ossigeno (come se fosse un atomo di carbonio per una molecola di acqua).

I più semplici sono detti monosaccaridi: sono formati da una catena di atomi di carbonio a cui sono legati idrogeno e ossigeno. Quando hanno 5 o 6 atomi di carbonio possono assumere una configurazione ad anello. Tra questi sono particolarmente noti il glucosio e il fruttosio. I monosaccaridi costituiscono le unità fondamentali per la formazione di zuccheri più complessi. Il legame che li unisce si forma per eliminazione di una molecola di acqua, mentre per addizione di una molecola di acqua tale legame si scinde e viene liberata energia. Questa reazione, detta di idrolisi, è dunque una reazione esoergonica.

Dall'unione di due monosaccaridi si forma un disaccaride: il glucosio e il fruttosio danno luogo ad esempio al saccarosio. Il glucosio è il tipo di zucchero che viene trasportato nel corpo degli animali, il saccarosio è invece la forma in cui lo zucchero è trasportato nelle piante; prima di entrare nel processo respiratorio, comunque, il saccarosio deve essere idrolizzato. Catene molto lunghe di monosaccaridi costituiscono i polisaccaridi. Le cellule mettono da parte gli zuccheri per i loro bisogni energetici sotto forma di polisaccaridi: l'amido è il principale polisaccaride di riserva nelle piante, il glicogeno lo è per gli animali, i funghi e i batteri. Oltre che avere funzioni di riserva, i polisaccaridi sono importantissimi composti strutturali. Il principale per le piante è la cellulosa che è un fondamentale costituente della parete cellulare delle cellule vegetali (come sarà illustrato più avanti). La cellulosa fa dunque parte del corpo della pianta e i monosaccaridi che la compongono non sono disponibili per i suoi bisogni energetici.

Lipidi

Costituiti, come i carboidrati, da carbonio, idrogeno e ossigeno, i lipidi hanno sia funzione energetica che strutturale. Hanno la caratteristica di essere idrofobi, ovverosia insolubili in acqua ed inoltre di contenere più energia degli altri composti organici, grazie alla presenza di numerosi legami C-C.

Appartengono a questo gruppo di sostanze i grassi, un tipo di riserva energetica che le piante immagazzinano soprattutto nei semi e nei frutti (pensiamo come esempio alle olive, alle arachidi e al mais). Questi grassi vengono detti insaturi (esistono atomi di carbonio uniti da un doppio legame). I grassi animali invece sono più frequentemente saturi (tutti gli atomi di carbonio legano il maggior numero possibile di atomi di idrogeno).

Importanti lipidi strutturali sono la cutina, la suberina e le cere, presenti nelle pareti delle cellule vegetali dove hanno l’importantissima funzione di evitare eccessive perdite di acqua da parte delle piante. I fosfolipidi, presenti nelle membrane cellulari, sono dei lipidi importantissimi per la loro funzione strutturale. Oltre alla componente lipidica (idrofoba), nella loro molecola è presente un radicale fosforico con un gruppo chimico addizionale (choline), che è invece solubile in acqua.

Proteine

Le unità fondamentali che formano le proteine sono gli amminoacidi, che nella loro molecola, oltre a carbonio, idrogeno e ossigeno, contengono azoto e in qualche caso zolfo. In tutto esistono 20 diversi tipi di amminoacidi che possono però dar luogo, unendosi tra loro in numero vario ed elevato, e secondo diverse sequenze, a innumerevoli combinazioni diverse, corrispondenti ad altrettante proteine diverse. Basti pensare che una forma di vita semplicissima, come il batterio Escherichia coli (ospite abituale e generalmente innocuo dell'apparato digerente degli esseri umani), contiene contemporaneamente da 600 a 800 proteine diverse.

La struttura di base di un amminoacido è data da un gruppo amminico -NH₂ e da un gruppo carbossilico -COOH legati a un atomo di carbonio centrale. A questo sono legati anche un atomo di idrogeno e un gruppo laterale R. È proprio questo gruppo -R diverso da un amminoacido all’altro, mentre la struttura di base resta la stessa - che determina le caratteristiche dei 20 amminoacidi: -NH₂ -COOH -H -R.

Gli amminoacidi si legano tra loro con un legame detto peptidico che si forma per eliminazione di una molecola di acqua tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di un altro. La semplice catena lineare di amminoacidi dà luogo a quella che si chiama struttura primaria delle proteine. Le proteine che hanno questo tipo di struttura vengono dette fibrose ed hanno essenzialmente una funzione strutturale (ad esempio tendini, cartilagini e legamenti degli animali).

La catena tende però, avvolgendosi a spirale su sé stessa, ad assumere una disposizione regolare ad elica, che costituisce la cosiddetta struttura secondaria. Le catene possono anche ripiegarsi più volte su sé stesse prendendo un aspetto globulare e dando luogo alla struttura terziaria, o in taluni casi, quando le catene sono più d'una, a quella quaternaria. I legami che permettono una struttura di tipo globulare sono piuttosto deboli e si spezzano facilmente quando si verificano cambiamenti fisici e chimici dell'ambiente, quali l'aumento della temperatura o dell'acidità. Si parla in questo caso di "denaturazione" delle proteine con conseguente perdita delle loro qualità biologiche (un tipico esempio di ciò è la coagulazione dell'albume dell'uovo in seguito alla bollitura). Questo è il principale motivo per cui gli organismi non possono vivere a temperature troppo elevate.

Sono proteine globulari sia quelle che entrano nella costituzione delle membrane cellulare, sia le proteine biologicamente attive, ovvero gli ormoni e gli enzimi. Gli ormoni sono particolari sostanze aventi la funzione di regolare la crescita e lo sviluppo degli organismi. Gli enzimi sono sostanze che agiscono da catalizzatori nelle reazioni del metabolismo cellulare, accelerandone la velocità e ritrovandosi poi inalterate alla fine della reazione stessa. Nell'ambiente fisico le reazioni possono essere accelerate innalzando la temperatura, il che provoca un aumento della frequenza e della forza delle collisioni tra molecole. Una certa dose di energia è infatti necessaria per iniziare una qualunque reazione, anche esoergonica (pensiamo ad esempio che per bruciare della legna è necessario accendere un fiammifero): questa energia viene detta energia di attivazione.

Nell'ambiente vivente, un aumento esagerato di temperatura, provocherebbe danni irreparabili ai tessuti, sciogliendo i lipidi e denaturando le proteine. A questo scopo intervengono gli enzimi, abbassando l'energia di attivazione necessaria: essi "accompagnano" i reagenti (ovverosia il substrato) nelle reazioni, agganciandoli nelle pieghe che esistono all'interno della propria struttura globulare (il cosiddetto sito attivo), come, volendo fare un paragone, una chiave nella serratura. Alla fine della reazione essi vengono rigenerati e possono essere usati di nuovo. Ciascun enzima conosce esattamente il proprio substrato e catalizza solo determinate reazioni, si parla infatti di specificità degli enzimi. Il nome dell'enzima generalmente si forma aggiungendo il suffisso -asi alla radice del nome del substrato (ad esempio l'enzima saccarasi catalizza l'idrolisi del saccarosio in glucosio e fruttosio).

Acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono sostanze di basilare importanza per la vita: il DNA (acido deossiribonucleico) è il costituente dei cromosomi ed è quindi depositario dell'informazione genetica, l’RNA (acido ribonucleico) è preposto alla sintesi delle proteine sotto la direzione del DNA.

Le unità di base costituenti gli acidi nucleici sono i nucleotidi a loro volta formati da tre sub-unità: un gruppo fosforico, uno zucchero a cinque atomi di carbonio e una base azotata, così chiamata perché nella sua struttura ad anello sono contenuti carbonio ed azoto. Come zucchero troviamo il ribosio nell'RNA e il deossiribosio (con un atomo di ossigeno in meno) nel DNA. Le basi azotate sono di due tipi: pirimidine, costituite da un solo anello, e purine, costituite da due anelli fusi assieme.

I nucleotidi si ritrovano in altri composti molto importanti tra cui quelli implicati negli scambi di energia nella cellula (ATP, ADP e NAD), su cui torneremo in seguito. I composti organici fin qui descritti prendono anche il nome di metaboliti primari: si tratta di molecole organiche che sono presenti in tutte le piante e in tutte le cellule della stessa pianta. Esistono però anche composti organici, il cui ruolo per la vita delle piante è stato chiarito solo recentemente e che una volta erano addirittura ritenuti prodotti di scarto. Questi prendono il nome di metaboliti secondari.

I metaboliti secondari sono composti che non sono ugualmente presenti in tutte le specie e che non sono nemmeno ugualmente ripartiti nelle varie parti di una stessa pianta, ma vengono prodotti in uno specifico organo o tessuto e talvolta solo in un particolare stadio di sviluppo (ad esempio fioritura o fruttificazione). La loro funzione è molto varia: possono agire come un segnale chimico in risposta a particolari condizioni dell'ambiente esterno, proteggere la pianta dall'attacco di patogeni, dal morso degli erbivori o avvantaggiarla nella competizione con altre piante; possono inoltre proteggere la pianta contro un'eccessiva radiazione solare o aiutarla nella dispersione del polline o dei semi. Per molti di questi composti, comunque, la funzione non è stata ancora del tutto chiarita. Nonostante l'aggettivo "secondari", il loro ruolo per la sopravvivenza e la propagazione delle piante è molto importante. Tali composti appartengono a tre principali categorie: alcaloidi, terpenoidi e composti fenolici.

Alcaloidi

Gli alcaloidi sono tra i più importanti composti farmacologicamente attivi (con massicci effetti fisiologici e psicologici sull'uomo), impiegati in medicina. La morfina, presente nel papavero da oppio, è stato il primo alcaloide identificato già all'inizio dell'800 ed è un potente analgesico. La cocaina estratta dalla coca, arbusto della regione andina, viene usata come anestetico locale per interventi agli occhi o ai denti. A seconda dell'uso può essere una droga molto pericolosa; la tradizione di masticare le foglie di coca, che ne contengono piccole quantità, permette però agli indios che vivono in alta quota, di sopportare meglio la fame e la stanchezza.

La caffeina, presente in piante quali quella del caffè, del tè e del cacao, è una sostanza eccitante. Sembra che la sua presenza in queste piante tenga lontani insetti e funghi patogeni; emessa dalla plantula, sembra inoltre che inibisca la germinazione dei semi nelle vicinanze, diminuendo così il rischio di competizione da parte di altre plantule. La nicotina, prodotta nelle radici e successivamente accumulata nei vacuoli delle foglie della pianta del tabacco, è un potente deterrente contro l'attacco degli erbivori e degli insetti.

Terpenoidi

Detti anche terpeni, sono la classe più abbondante di metaboliti secondari (oltre 22000 composti descritti). Svolgono nelle piante molti ruoli diversi: alcuni di essi, i carotenoidi, sono importanti pigmenti fotosintetici, altri, gli steroli, sono componenti della membrana cellulare, altri rientrano nella categoria delle molecole trasportatrici di elettroni (vedi paragrafi successivi), altri sono ormoni. Tra questi ultimi si ricordano le gibberelline, un gruppo di ormoni vegetali il cui effetto più noto è quello di provocare l'allungamento del fusto, e l'acido abscissico, ormone responsabile, tra gli altri effetti, della dormienza delle gemme e dei semi, nonché della chiusura degli stomi.

L'isoprene è una sostanza volatile emessa, soprattutto nelle giornate più calde, dalle foglie di molti alberi e responsabile di una foschia di colore azzurrino; il suo ruolo non è ancora stato chiarito. Nella categoria degli oli essenziali rientrano molti terpeni che conferiscono profumo alle piante che li producono, ad esempio il mentolo prodotto dalla menta. Il loro ruolo può essere molto vario: proteggere...

Ecologia di popolazione

• Acidi nucleici
• Aspetti generali
• La cellula
• Modello di Malthus
• L'energia
• Termodinamica
• Modello di Darwin
• Vita
• Predazione
• Trasferimento di energia

Ecologia di comunità

• La foglia
• Fotosintesi
• Ecosistemi
• Respirazione
• Fermentazione
• Flusso di energia
• Fattori limitanti per la PP
• Cicli biogeochimici
• Regolazione ecologica

L'albero - Ecologia applicata agli ecosistemi

• Crescita delle piante
• Montani
• Apparato radicale
• Seme
• Germinazione
• Legno

Cenni sulla gestione delle risorse

Classificazione dei viventi naturali

• Evoluzione delle piante
• Bacteria
• Archaea
• Funghi
• Protisti e alghe

Pedologia

• Regno plantae
• Fattori fisici dell’ambiente
• L’atmosfera
• Il vento
• La radiazione solare