Ecologia sperimentale e biodiversità di coste rocciose - appunti

Ecologia sperimentale e biodiversità di coste rocciose

Per ecologia sperimentale e biodiversità di coste rocciose si intende tutto ciò che permette di comprendere i processi che influenzano le modalità di distribuzione, di abbondanza e di diversità dei popolamenti ad alghe e invertebrati di costa rocciosa. Con il termine modalità di distribuzione si intende ciò che si può osservare in natura: si esamina l’ambiente di costa rocciosa, ma i principi sono applicati a qualunque tipo di ambiente acquatico ma anche terrestre. Si intende ciò che si può misurare relativamente alla distribuzione ed abbondanza degli organismi e si esamina come la natura ci appare e come si manifesta. Con progettazione si intende gli esperimenti per spiegare le osservazioni. Otterremo quindi un dato quantitativo, cioè espresso in forma numerica.

Il termine modalità si distingue dal termine processo perché nel primo caso il dato rimane un dato numerico, non si dà una spiegazione, mentre con il termine processo si indica proprio le cause che portano a un determinato evento e che andiamo ad indagare. Le modalità, una volta identificate, richiedono una spiegazione, devono cioè essere comprese in termini di ciò che ha causato l’osservazione; e questo è l’obiettivo di tutte le discipline scientifiche, non solo dell’ecologia: spiegare ciò che osserviamo per capire quali sono le relazioni causa-effetto. Prima osserviamo, poi ci chiediamo perché osserviamo ciò che osserviamo, cioè quali sono le cause che hanno determinato l’osservazione. Lo facciamo con esperimenti che possono essere sul campo, in laboratorio o in situazioni intermedie. Sono tutte e tre modalità corrette, dipende da cosa vogliamo studiare; ovviamente sul campo sono le più realistiche perché vogliamo sapere cosa accade in natura, non in un acquario.

Livelli di organizzazione biologica

Il livello di organizzazione biologica a cui facciamo riferimento è l’abbondanza e la diversità di organismi. L’ecologia si organizza su una gerarchia di livelli di organizzazione biologica e gli esempi che verranno fatti riguarderanno studi sull’abbondanza di popolazioni e sulla diversità di specie. Gli stessi principi però possono essere usati per studiare aspetti e livelli di organizzazione biologica al di sotto o al di sopra di abbondanza e specie, come comunità e paesaggi.

La popolazione è un insieme di individui o unità appartenenti alla stessa specie, mentre la specie è un insieme di individui simili da un punto di vista genetico e morfologico in grado di generare prole fertile. Quando parlo di diversità specifica intendo specie diverse; quando invece parlo di popolamento è come utilizzare un sinonimo di comunità ecologica perché il popolamento fa riferimento a un gruppo di specie diverse. Il termine comunità implica che le specie siano dipendenti, la specie A e la specie B si trovano sempre insieme ed insieme fanno qualcosa di più rispetto a quanto fa A da sola o B da sola, implica quindi che le specie si sono coevolute per stare insieme, mentre il termine popolamento indica più semplicemente che ci sono specie diverse vicine.

Variabili abiotiche e biotiche

Di nostro interesse sarà la parte di costa che va dalla battigia fino ai 20-30m di profondità. In questa porzione di litorale ci sono variabili abiotiche e biotiche che in natura cooperano e agiscono simultaneamente. Spiegare un fenomeno è difficile perché dobbiamo separare il contributo dei processi abiotici e biotici che però in natura agiscono simultaneamente; è quindi un processo complicato. Il contributo non è semplicemente additivo (cioè una componente più un’altra danno un determinato effetto) e questo perché ci sono sinergie ed antagonismi che vanno tenuti in considerazione.

Gli organismi non sempre sono distribuiti in modo casuale, a volte tendono ad aggregarsi nello spazio e se c’è un aggregato vuol dire che c’è un processo ecologico che fa in modo che questi organismi non siano più distribuiti casualmente nell’ambiente. Se si trovano in un punto preciso c’è un motivo. Ci sono quindi dei processi causa-effetto e c’è qualcosa che genera l’aggregazione. La distribuzione degli organismi può, per altre specie, modificare alcune caratteristiche abiotiche e biotiche. Ci sono foreste algali molto alte che creano un “sottobosco” buio, detto anche “zona d’ombra”, che permette la crescita di specie che vivono bene anche con una bassa intensità luminosa ma che non consente la crescita di specie che hanno bisogno di molta luce. In genere sono gli invertebrati sessili che trovano rifugio nelle foreste mantenendo la variabilità. Quindi l’ambiente è modificato sia da fattori abiotici che biotici.

Variabili abiotiche

• Idrodinamismo: movimento di masse d’acqua. Comprende onde, correnti e movimenti di marea. Le onde sono funzione delle caratteristiche climatiche e delle condizioni meteo-marine. Possiamo avere delle forti mareggiate che con i cambiamenti climatici sono diventate estreme e molto più frequenti rispetto al passato. Le onde di mareggiata sono un importante fattore che governa le modalità di distribuzione, di abbondanza e diversità degli organismi; cambiando la distribuzione cambia anche il funzionamento del sistema, come la capacità di produrre sostanza organica con la fotosintesi. Gli eventi di disturbo naturali (come le mareggiate) sono comunque fattori importanti per mantenere la biodiversità e la variabilità di un sistema. Ad esempio, se nel sistema c’è una specie molto competitiva che tenderebbe ad utilizzare tutte le risorse e ad eliminare per via competitiva le altre, questi eventi di disturbo impediscono che si realizzi uno sviluppo eccessivo di una o poche specie che hanno capacità competitive superiori alle altre e che sfrutterebbero tutte le risorse.

Il problema però è quando queste mareggiate diventano troppo eccessive o troppo frequenti. Un organismo che sta sulla roccia è molto esposto all’idrodinamismo e all’azione delle onde; un corpo esposto ad un flusso che va in una certa direzione è soggetto a delle forze. Si crea una differenza di pressione tra i due lati dell’organismo che genera una forza di trascinamento in senso orizzontale. Se però un corpo è asimmetrico non c’è solo una forza di trascinamento ma c’è anche una forza di sollevamento dal substrato. Questi organismi hanno quindi delle strategie che permettono di resistere a queste sollecitazioni: le patelle, ad esempio, producono una sostanza corrosiva che permette di creare una depressione nella roccia dove alloggiano. Questo consente loro sia di non essere staccate dal substrato sia di conservare un velo d’acqua che sarà utile nei periodi di essiccamento. Alcune alghe, come la macroalga Nereocystis, hanno la parte ancorante simile a radici ben salde ed un “fusto” flessibile che segue il movimento dell’onda e si irrigidisce per fronteggiare la forza di trascinamento.

Un esempio è lo studio fatto sui ricci di mare in cui viene messa in relazione la dimensione dei ricci con lo spessore del guscio a diverse profondità: i ricci che stanno in superficie hanno bisogno di un guscio più spesso perché sono più esposti all’idrodinamismo. A parità di dimensioni con i ricci che stanno intorno ai 60m di profondità, che invece hanno un guscio meno spesso perché meno soggetti a idrodinamismo. Può non essere l’unica spiegazione; si potrebbe anche dire che hanno il guscio più spesso perché sono più esposti ai predatori, o entrambe. Da un’osservazione non si raggiunge una spiegazione, la può suggerire ma non identifica quella più probabile. Sono gli esperimenti che generano una spiegazione ed una conclusione.

Thais lamellosa è un gasteropode che può avere un guscio frastagliato oppure no e può modificare la sua forma corporea a seconda delle condizioni ambientali. Si deve quindi introdurre il concetto di ecotipo che indica popolazioni della stessa specie che mostrano o sviluppano morfologie diverse e aspetti macroscopici diversi e sviluppano queste differenze perché vivono in ambienti diversi. La Thai lamellosa con guscio frastagliato e quella con guscio liscio sono due ecotipi diversi. Hanno il guscio liscio nelle zone ad idrodinamismo elevato perché sbattono da tutte le parti e con una superficie liscia l’acqua passa sopra al guscio e non rimane “incastrata” e frastagliato dove la zona ha idrodinamismo minore.

Non tutti gli organismi sono sessili; alcuni si muovono e possono cambiare il loro comportamento in relazione alle condizioni ambientali. Ad esempio, le littorine fanno delle escursioni verso il mare quando siamo in condizioni di mare calmo e verso l’entroterra quando invece il mare è mosso; alcuni ricci si coprono con frammenti di conchiglia o altri oggetti per ridurre l’impatto delle onde o vanno a cercare rifugio nelle spaccature della roccia.

Le forze di marea sono forze più ricorrenti e prevedibili, sollecitate dalla forza gravitazionale della Luna (e anche del Sole, ma la Luna ha una forza maggiore) che esercita una forza che fa alzare il livello del mare, e dalla forza centrifuga che si crea con il movimento di rotazione della Terra. Queste forze in alcune situazioni si sommano mentre in altre sono contrapposte.

Le escursioni di marea non hanno sempre la stessa ampiezza e questo è funzione della posizione della Luna rispetto alla faccia della Terra. Le maree sinciziali sono quelle che hanno escursione ed ampiezza maggiore e possono essere sia nella direzione di massima che di minima altezza (sono i due estremi) e si hanno quando la forza di Sole e Luna si sommano. Le maree di quadratura invece si hanno quando le due forze si annullano. Non sempre abbiamo un asse terrestre posizionato in modo che la forza del sole e della luna siano perfettamente perpendicolari, allora quindi entra in gioco la latitudine: alle alte latitudini abbiamo maree semidiurne, quindi un ciclo giornaliero composto da un’alta ed una bassa marea al giorno, mentre a latitudini più basse (verso l’Equatore) le maree sono diurne quindi abbiamo due alte e due basse maree nella stessa giornata.

Il Mediterraneo è sottoposto a maree semidiurne con escursioni limitate e in più nel Mediterraneo non è tanto l’alternanza tra alta e bassa marea che determina quando gli organismi sono esposti all’aria, ma è la pressione atmosferica. Quando ci sono periodi di HP prolungati che ci sia alta o bassa marea, data la limitata escursione, conta poco perché l’HP spinge il livello del mare in basso e questa condizione può rimanere per diversi giorni; in ambienti dove l’escursione di marea è importante la variazione di pressione è di minore importanza. L’ambiente di marea quindi provoca esposizione aerea, variazioni termiche, esposizione a raggi solari, essiccamento.

• Luce, temperatura ed essiccamento (quando siamo sulla zona esposta all’atmosfera): le basse maree causano esposizione degli organismi all’ambiente esterno, ad un’elevata intensità luminosa ed essiccamenti. Un animale esposto alla zona intertidale va incontro a dei fenomeni legati a scambi di calore come ad esempio la radiazione solare diretta sulla conchiglia che si scalda generando scambi di calore per convenzione con l’aria, conduzione con il suolo, riflessione se la conchiglia è chiara, reirradiazione termica (la conchiglia si scalda e si raffredda) e l’evaporazione (tipo il sudore negli umani). La forma della conchiglia è importante, può essere sferica (a parità di volume espone una minore superficie e si prende minori radiazioni) oppure no come nel caso della patella che avendo un piede più ampio ha un aumento della conduzione termica, intercetta più calore e tutta la superficie è esposta (non come la sfera che una parte è esposta ed un’altra no) e quindi diminuisce la reirradiazione. Poi ci sono organismi con la forma della patella ma con la superficie ondulata e che quindi espongono una maggiore superficie che reirradia il calore.

Variabili biotiche

• Competizione: Sulla costa rocciosa troviamo organismi sessili e bentonici e la competizione riguarda lo spazio. Per competizione si intende l’interazione tra organismi per l’utilizzo di una risorsa che però non è in grado di soddisfare i fabbisogni di tutti. Lo spazio per gli organismi sessili, come ad esempio ascidie ed alghe, è una di queste. I mitili californiani sono una di quelle specie che se non vengono tenute sotto controllo da qualche fenomeno estremo come le mareggiate tendono a colonizzare ogni ambiente perché sono una specie competitivamente dominante e se i mitili vengono rimossi altri organismi possono riuscire a colonizzare quell’ambiente.

Le interazioni biotiche si studiavano marcando delle zone di scogliera e facendo fotografie nello stesso punto e nel tempo per vedere cosa accadeva. Da un’indagine nel tempo veniva stabilito che tipo di interazione biotica c’era. L’ascidia che cresce sulla spugna quindi dimostrava che aveva scansato altri organismi per via competitiva, ma poteva essere che la spugna stava male per altri motivi e l’alga ci sia cresciuta sopra in un secondo momento. Per cercare di trarre delle giuste conclusioni si dovrebbe fare un esperimento (condotto in situazioni naturali in cui questi organismi apparentemente interagiscono) in cui in metà di queste stazioni si rimuove l’alga (trattamento e controllo) e se davvero l’alga vince la competizione con la spugna, dove l’alga viene rimossa la spugna riprende a crescere mentre nel controllo l’alga copre completamente la spugna. Un altro esempio è il lamantino che, mangiando la fanerogama, lascia spazio a disposizione per altri organismi.

La sperimentazione in ecologia marina

Gli esperimenti sono lo strumento che abbiamo a disposizione per stabilire le relazioni causa effetto tra variabili. Il fine ultimo dell’ecologia è capire quali sono le cause di ciò che osserviamo (ma anche delle altre discipline scientifiche) e capire quali sono i processi che influenzano ciò che osserviamo in natura e quindi che influenzano la distribuzione degli individui. L’approccio sperimentale, dove può essere applicato, riveste un ruolo fondamentale. Quando si parla di processi si fa riferimento alle cause, si considerano i processi che condizionano la distribuzione dell’abbondanza degli organismi e che possono essere abiotici, biotici; ma si considerano anche i loro effetti interattivi che possono andare in due direzioni: sinergia e antagonismo.

Gli esperimenti possono essere condotti in laboratorio, in un ambiente naturale (sul campo) o ancora in vie intermedie che si chiamano mesocosmi; a seconda di cosa si deve studiare si preferisce un tipo di esperimento rispetto ad un altro (è funzione dell’ipotesi): in laboratorio possiamo azzerare e controllare la maggior parte delle variabili, variando solo quella che si vuol studiare, ad esempio la variazione di temperatura che influenza la crescita degli organismi, oppure la diversa esposizione a contaminanti. In realtà anche in laboratorio ci sono condizioni per cui non è tutto uguale, ad esempio dove sono fisicamente posizionati gli acquari, potrebbe essere una zona più o meno illuminata, però varia meno rispetto al campo. In natura non si può azzerare niente (il vantaggio è che i risultati sono contestualizzati rispetto all’esperimento ma emergono con tutti quei fattori che non sono stati azzerati e manipolati e quindi sono interpretabili come fattori naturali). Un esempio di mesocosmi è quello di mettere dei vasconi in mare, posso controllare e manipolare certe variabili e sono in una condizione semi naturale.

Interazioni biotiche: i primi esperimenti hanno esaminato il ruolo delle interazioni biotiche, come il ruolo dell’erbivoria e della predazione. Una roccia nuda (che poi non è mai nuda) presenta una certa eterogeneità ed un mosaico di habitat. Si vede che in un punto della roccia ci sono i ricci ed intorno c’è la “roccia nuda”; dall’osservazione non si può arrivare alla conclusione, ma ci si può chiedere se sono stati i ricci a creare la roccia nuda intorno o se c’era già. Sono i ricci che hanno creato questa chiazza oppure ci sono stati altri eventi e poi i ricci hanno colonizzato la zona? I ricci creano un mosaico di habitat? Se rimuovo i ricci, crescono le alghe ma questa cosa è dovuta all’esclusione dei ricci oppure al loro ciclo vitale? E in più, questo risultato vale se gli erbivori scompaiono da un’estensione di roccia maggiore oppure dipende dalle dimensioni della mia unità sperimentale? In alcuni casi le simulazioni su piccola estensione sono rappresentative della realtà. Per capire quindi se sono i ricci la causa di questa eterogeneità ambientale si fa un esperimento dove si scelgono a caso delle aree, alcune sono il controllo e altre il trattamento (rimozione). Questo è un esperimento causa-effetto usato anche per le interazioni di predazione, tipo tra stelle di mare e mitili. Quando si fa un esperimento abbiamo trattamento, controllo e controllo artefatto ed una volta ottenuti i risultati ci si chiede se valgono solo per l’area in questione oppure se possono essere estesi a scale spaziali più ampie; in certi casi sì, mentre in altri no.

Altri esperimenti importanti sono legati alle relazioni competitive tra gli organismi; per gli organismi che vivono attaccati alla roccia la competizione è per lo spazio. Molti esperimenti sono stati fatti per spiegare la distribuzione di specie nell’intertidale.