Esame di Ecologia

Ecologia: programma del corso

Definizioni di ecologia

- Haeckel, Krebs, Begon, Odum

Livelli gerarchici e organismi

- Individui

Autoecologia e sinecologia

- Organismi unitari, organismi modulari (ramificanti si liberamente, rizomatosi e stoloniferi, formanti cespugli, persistenti pluriramificati; organismi modulari: ramet e genet)

Popolazioni ed ecosistemi

- Popolazioni, metapopolazioni, popolazioni pozzo e popolazioni sorgente

- Comunità, ecosistemi, biomi, biosfera

- Biosfera 2

Fattori ecologici

- Fattori ecologici: abiotici e biotici

- Fattori ecologici: condizione e risorsa

- Definizione di fattore limitante

Successo biologico

- Successo biologico in funzione del fattore ecologico (tre modelli differenti: temperatura, pH; veleni; oligoelementi quali rame e cloruro di sodio)

Risorse ecologiche

- Risorse consumabili ed esauribili: risorse essenziali, risorse perfettamente sostituibili, risorse complementari, risorse antagoniste

Adattamenti fisiologici

- Q10 coefficiente di temperatura

- Tempo fisiologico (esempio con cavalletta Cryptopygius antarticus)

- Acclimatazione: esempio con importanza del glicerolo nelle farfalle

- Pesci del polo sud

Regole ecologiche

- Regola di Allen

- Regola di Bergmann

Comportamenti animali

- Letargo

- Ibernazione

- Vivere ad alte temperature: estivazione, traspirazione piante, modificazione comportamento (iguana del deserto), interruzione processi omeostatici per brevi periodi (variazione temperatura corporea scoiattolo di terra)

Ambienti estremi

- Camini idrotermali Alvinella pompeiana

- Vestimentiferi

- Utilizzo occhi peduncolati come recettori calore

- Importanza degli scheletri di balena per gli organismi dei camini idrotermali

Escrezione azotata

- Modalità differente di escrezione azoto: ammoniaca, urea e acido urico

Adattamenti evolutivi

- Adattamenti evolutivi (plus varianti, meno varianti)

- Ruolo della temperatura nella vincita di una competizione tra due specie, il pH

Documentari ecologici

- Visione documentario "Una scomoda verità" e "L'isola del presidente"

Strategie di sopravvivenza

- Strategie messe in atto dagli organismi per sopravvivere ad eventi avversi

- Criptobiosi

- Diapausa

- Migrazione ciclica

- Migrazione che avviene una sola volta (anguille, storioni)

- Migrazione che prevede nascita e morte degli organismi nello stesso posto (caso della farfalla Vanessa atalanta)

Classificazione di Raunkiaer

- Adattamento delle piante alla stagione sfavorevole

- Forme biologiche delle piante: fanerofite, camefite, emicriptofite, geofite, terofite

Concetti di nicchia ecologica

- Definizione di nicchia ecologica

- Nicchia fondamentale e nicchia realizzata

- Esempio con Planaria gonocephala e Planaria montenegrina

- Principio di esclusione di Gauss

Ecologia delle popolazioni

- Guild

- Equivalenti ecologici

- Nicchia ecologica determinata sia da fattori biotici sia abiotici (esempio con Balani)

Dinamiche di popolazione

- Metodo cattura e ricattura di Peterson per la stima della densità della popolazione

- Densità popolazioni (N), natalità (B), mortalità (D), b natalità media pro-capite, d mortalità media pro-capite, dN/dt=rN

- Curva j degli organismi r strateghi (teorica e reale), costante r

- dN/dt=rN ((K-N)/k) curva accrescimento organismi k strateghi, costante k

- dN/dt=rN ((K-N)/k) ((N-M)/N), costante M (numero minimo individui)

- Esempio con curva accrescimento stambecco

Competizione ecologica

- Competizione da uso di risorse comuni e limitate (coefficiente alpha e beta, calcolo coefficiente alpha)

- Esempio competizione tra due diatomee

- Isocline accrescimento zero (punti di equilibrio stabili e instabili)

Relazioni ecologiche

- Predazione

- Equazione preda, equazione predatore

- Isocline accrescimento zero per preda e predatore

- Simbiosi e mutualismo

- Esempio pesce pulitore

- Esempio pesce pagliaccio e anemone

- Proterandria proteroginia

- Mutualismo tra piante e formiche

- Mutualismo tra piante e scarafaggi

- Mutualismo all’interno del tubo digerente

- Mutualismo coralli e alghe

Decomposizione e parassitismo

- Saprofiti (decompositori e detritivori)

- Coprofagi

- Scarafaggi seppellitori

- Parassitismo

- Definizioni di parassitismo (Leukart, Crofton)

- Distribuzione aggregata parassiti

- Classificazione parassiti in base alle loro dimensioni

- Classificazione dei parassiti in base alla zona di contatto con l’ospite

- Ciclo monoxeno e eteroxeno

- Strategie messe in atto dai parassiti con ciclo eteroxeno per facilitare incontro parassiti con ospiti

- Origine vita parassiti

Ecologia di comunità

- Parassiti: infrapopolazione, metapopolazione, soprapopolazione, infracomunità, comunità componente, comunità composta

- Competizione intraspecifica (esempio con acacia, pesce combattente)

- Effetto sovraffollamento su sopravvivenza cervi

- Competizione e imprevedibilità variazioni ambientali

- Ipotesi del disturbo intermedio

- Specie fuggitive e altamente competitive (fecondità annuale C e equilibrio E*)

- Esempio alga bruna e mollusco bivalve

- Effetto tempo arrivo su competizione

- Paradosso del plancton

- Fantasma competizione del passato

Foraggiamento e demografia

- Preferenza per il cibo

- Teoria del foraggiamento ottimale

- Risposta funzionale di tipo 1

- Risposta funzionale di tipo 2

- Risposta funzionale di tipo 3

- Demografia

- L (longevità)x

- M (maternità)x

- R tasso netto di riproduzione

- Distanza di età in ambiente costante

Struttura delle comunità

- Comunità

- Catena del pascolo e del detrito

- Attributi che definiscono struttura biologica comunità

- Indici di ricchezza in specie (Monk, Menhinick, Margalef)

- Abbondanza relativa, diagramma rango abbondanza

- Indici di dominanza di Simpson I

- Indice di diversità di Shannon (H)

- Indice di Evenness (J)

- Keystone species

- Interazioni tra specie in una comunità

- Zonazione

- Indici similarità (di Sorensen)

- Similarità percentuale (SP)

Successioni ecologiche

- Successioni (specie pioniere e tardive)

- Successione primaria e secondaria

- Studio successione primaria, esempio vulcano con diverse colate laviche

- Climax (monoclimax e policlimax)

Flussi di energia negli ecosistemi

- Flussi di energia negli ecosistemi

- Prima legge termodinamica

- Seconda legge termodinamica

- Produttività primaria lorda e produttività primaria netta

- Respirazione

- Produttività netta della comunità

- Produttività secondaria

- Misura produttività primaria lorda, netta e respirazione mediante metodo bottiglie chiare e scure (con esempi numerici)

- Variazione respirazione e produzione netta in funzione profondità mare

Piramidi ecologiche

- Piramidi ecologiche di numero, di biomassa e di energia

- Piramidi inverse di numero e biomassa

Cicli biogeochimici

- Cicli biogeochimici

- Ciclo del carbonio

- Ciclo del fosforo

- Ciclo dell’azoto

- Inquinamento lago d’Orta

Teoria della biogeografia insulare

- Teoria della biogeografia insulare

- Tasso di immigrazione in funzione del numero di specie residenti

- Tasso di estinzione in funzione del numero di specie residenti

- Dati sperimentali a supporto teoria biogeografica

- Parchi come isole ecologiche

Conservazione della natura

- Conservazione della natura

- Estinzione del Dodo e sua influenza su pianta del dodo

- Gestione delle risorse animali e vegetali

- Optimum di produzione (produzione massima sostenibile)

- Sistema delle quote fisse nell’unità di tempo

- Sistema delle quote variabili

- Sforzo di prelievo

- Scampo regolamentato

Clima e biomi

- Clima

- Radiazione solare, moti del pianeta, forma e struttura della superficie terrestre

- Radiazione solare e termica

- Effetto marittimo e altitudinale

- Bioclima continentale e bioclima marittimo

- Climogramma

- Biomi

- Tundra artica

- Tundra alpina

- Foreste di conifere (taiga, foreste montane)

- Foreste temperate

- Praterie (steppa)

- Savana (variazione biomassa in relazione al fuoco, biomassa animale in relazione disponibilità acqua)

- Deserti

- Foreste tropicali pluviali

Ipotesi Gaia

- Ipotesi Gaia di Lovelock

Ecologia: un'introduzione

Il termine “ecologia” (gr. , casa, ambiente, e , discorso) venne per la prima volta coniato da Ernst Heinrich Haeckel (1834-1919), come “scienza dei rapporti dell’organismo con l’ambiente”.

Nel 1972 Krebs dà una definizione più precisa su cosa studia l’ecologia, egli definisce l’ecologia come “lo studio scientifico delle interazioni che determinano la distribuzione e l’abbondanza degli organismi”; il tutto dipende dalle interazioni che intercorrono tra gli esseri viventi.

Secondo Begon l’ecologia è “lo studio scientifico della distribuzione e dell’abbondanza degli organismi e delle interazioni che determinano distribuzione ed abbondanza”.

Secondo Odum, scrittore del primo libro di Ecologia, l’ecologia è lo studio della struttura e del funzionamento degli ecosistemi.

Ernst Haeckel scrisse: “Per ecologia intendiamo il corpo di conoscenze che riguardano l’economia della natura – l’indagine del complesso delle relazioni di un animale con il suo contesto sia inorganico che organico; comprende soprattutto le sue relazioni positive e negative con gli animali e le piante con cui viene direttamente o indirettamente a contatto – in una parola, l’ecologia è lo studio di tutte quelle complesse relazioni alle quali Darwin fece riferimento come alle condizioni della lotta per l’esistenza”.

L’enfasi posta da Haeckel sulle relazioni dell’ecologia con le nuove e rivoluzionarie idee promosse nell’Origine delle Specie di Charles Darwin è importante. La teoria della selezione naturale proposta da Darwin (alla quale Haeckel fa riferimento quando scrive “lotta per l’esistenza”) è una pietra angolare della scienza dell’ecologia. È un meccanismo che consente all’ecologia di andare oltre le descrizioni della storia naturale e di esaminare i processi che controllano la distribuzione e l’abbondanza degli organismi.

Gerarchia biologica e interazioni

Il mondo dei viventi può essere visto come una gerarchia biologica che inizia con le cellule, continua con i tessuti, gli organismi sino ad arrivare alla biosfera. Gli organismi sia vegetali che animali interagiscono con l’ambiente a vari livelli, e tutte le condizioni fisiche che li circondano influenzano processi fisiologici basilari, determinanti per la sopravvivenza e l’accrescimento.

Gli organismi interagiscono con l’ambiente nel contesto dell’ecosistema: eco fa riferimento all’ambiente, sistema denota che si tratta di un insieme di componenti in relazione tra loro che costituiscono un’unità. In senso ampio, le componenti basilari interagenti sono due: quella vivente, o biotica, e quella non vivente (fisica e chimica) o abiotica. Le relazioni sono complesse, poiché ciascun organismo non risponde semplicemente all’ambiente fisico, ma al tempo stesso lo modifica, determinandone alcune caratteristiche e quindi diventandone parte.

Popolazioni e comunità

I diversi tipi di organismi che colonizzano una determinata area si raggruppano in popolazioni. In ecologia, una popolazione è un gruppo di individui della stessa specie che occupa una determinata area. L’insieme di tutte le popolazioni di specie diverse che vivono e interagiscono in un ecosistema viene definito come comunità.

L’ecosistema, formato dalla comunità biotica e dall’ambiente fisico, ha molti livelli. Al primo livello, gli organismi individuali, incluso l’uomo, reagiscono all’ambiente fisico modificandolo al tempo stesso. Al livello successivo, individui di una stessa specie formano popolazioni; inoltre, gli individui di queste popolazioni interagiscono tra loro e con gli individui di altre specie per formare una comunità. Gli erbivori consumano vegetali, i carnivori si cibano di prede, e si instaurano relazioni competitive per le risorse limitate. Quando gli individui muoiono, altri organismi consumano e decompongono i loro resti, riciclando i nutrienti contenuti nei loro tessuti, che tornano così ad arricchire il suolo.

Se l’ecosistema è il contesto nel quale gli organismi interagiscono con l’ambiente, anche tutte le comunità e gli ecosistemi sono collocati in un contesto spaziale più ampio: il paesaggio, cioè un mosaico di comunità ed ecosistemi su un’area di terra (o acqua). Alla scala spaziale del paesaggio, le comunità e gli ecosistemi sono collegati attraverso processi quali la dispersione degli organismi e gli scambi di materia ed energia.

Ci si riferisce alle ampie regioni, caratterizzate da tipologie simili di ecosistemi, quali le foreste tropicali, le praterie o i deserti, con il termine biomi. Il livello più elevato di organizzazione dei sistemi ecologici è la biosfera, il sottile strato che ricopre il pianeta Terra in cui sono presenti tutte le forme viventi. Gli ecosistemi terrestri e acquatici della biosfera sono in continua relazione, attraverso varie interazioni-scambi di materia ed energia, con le altre componenti del sistema Terra: atmosfera, idrosfera e litosfera. L’ecologia è lo studio della complessa rete di interazioni tra gli organismi e il loro ambiente a tutti i livelli di organizzazione: dall’individuo alla biosfera.

Autoecologia e sinecologia

L’ecologia può essere suddivisa in due grosse aree: autoecologia e la sinecologia, anche se, in realtà, la differenza tra i due rami è sottile e puramente didattica.

- Autoecologia: Studia gli adattamenti morfologici e fisiologici di una data specie in rapporto all’ambiente in cui vive. Studia le relazioni esistenti tra un dato organismo ed i fattori abiotici dell’ambiente in cui esso vive.

- Sinecologia: Studia i rapporti esistenti tra i vari membri di una comunità. Studia il modo con cui organismi omo e eterospecifici costituiscano popolazioni e comunità, e come queste si modifichino nel tempo e interagiscano con la parte abiotica dell’ambiente.

Ecologia delle popolazioni ed ecosistemi

L’ecologia viene poi suddivisa anche in ecologia delle popolazioni ed ecologia degli ecosistemi, i due livelli di organizzazione di cui si occupa prevalentemente l’ecologia moderna.

Specie e popolazioni

Le specie sono gruppi di popolazioni naturalmente interfeconde che sono riproduttivamente isolate da altri gruppi simili. In altri termini: due individui (di sesso diverso) appartengono alla stessa specie quando, incrociati, danno prole feconda (cioè perfettamente vitale). Di solito si distingue una specie dall’altra in base a differenze di forma e di comportamento.

Tipi di organismi

Le popolazioni sono formate da gruppi di individui. Gli organismi possono essere unitari o modulari:

- Organismi unitari: Hanno forma prevedibile e determinata fin dal momento del concepimento; lo zigote, formatosi con la riproduzione sessuale, dà vita ad un organismo geneticamente unico.

- Organismi modulari: Si accrescono mediante la ripetuta produzione di moduli e formano quasi sempre una struttura ramificata. Il loro programma di sviluppo non è prevedibile. Lo zigote si sviluppa in un’unità di costruzione, un modulo, che poi produce altri moduli simili.

Organismi modulari

Per quanto riguarda gli organismi modulari, si può parlare di un genet, ovvero di un individuo che inizia la vita come zigote unicellulare:

- Ramet: Membro di una unità modulare di un clone, avente la capacità di condurre un’esistenza indipendente se separato dall’organismo parentale.

- Moduli: Membro di una unità modulare di un clone, non avente la capacità di condurre un’esistenza indipendente se separato dall’organismo parentale.

La maggior parte delle piante è modulare. Il singolo albero e la singola pianta, generati per riproduzione sessuata attraverso lo sviluppo di uno zigote, rappresentano individui genetici o genet; i moduli generati asessualmente dai genet sono chiamati ramet. I ramet possono rimanere fisicamente legati all’individuo genetico d’origine, o possono separarsene e funzionare indipendentemente, producendo semi e a loro volta estensioni laterali o ramet. Tutti i ramet mantengono la stessa costituzione genetica dell’individuo, nato per riproduzione sessuata, da cui si sono originati, sia che vivano indipendentemente sia che rimangano fisicamente legati a esso. Pertanto, accrescendosi tramite ramet, il genet può coprire un’area relativamente estesa ed espandersi considerevolmente; alcuni moduli muoiono, altri vivono e nuovi se ne generano.

Sebbene le piante siano il gruppo più conosciuto di organismi modulari, anche molti animali sono modulari, come i coralli, le spugne e i briozoi, che si accrescono attraverso la continua produzione di moduli. Tecnicamente, per studiare le popolazioni di organismi modulari si devono riconoscere due livelli strutturali: il modulo (ramet) e l’individuo (genet); nella pratica, tuttavia, i ramet sono spesso considerati come singoli membri della popolazione.

Ciclo biologico degli organismi

Quasi tutte le specie attraversano un certo numero di stadi del loro ciclo biologico. Questi stadi possono essere influenzati da differenti fattori e devono quindi essere trattati separatamente. Negli organismi unitari, la forma è altamente determinata. Lo zigote crescendo assume la forma prevista dalla specie. Negli organismi modulari invece, lo zigote si sviluppa a formare un’unità strutturale (un modulo), che poi produce altri moduli come il primo. Il prodotto è quasi sempre ramificato. Organismi modulari sono le piante, i coralli, le alghe e molti tipi di protisti e funghi. Gli organismi modulari si accrescono modulo su modulo, fino a quando non creano un modulo leggermente diverso, che ha la capacità di fecondare o di essere fecondato e di conseguenza di creare un nuovo zigote (Ramet). Questi moduli solitamente cessano di generare altri moduli.