Fondamenti ecologia

Ecologia

Il termine ecologia deriva da due parole greche:

• Oikos = casa (intesa come habitat)
• Logos = studio / discorso

La disciplina ecologica comprende sia gli organismi che abitano nella casa, sia i processi che concorrono a renderla abitabile. L’ecologia è lo studio di tutte le reazioni che intercorrono tra gli organismi e l’ambiente in cui vivono.

Ecologia: studio della vita della casa

Lo scopo

Gerarchia dei livelli di organizzazione

Il modo migliore di inquadrare l’ecologia moderna consiste nel considerare i livelli di organizzazione, che possono essere visualizzati come uno spettro ecologico o come una successione gerarchica. Gerarchia: disposizione in serie progressiva.

• Ecosfera
• Bioma
• Paesaggio
• Ecosistema
• Comunità
• Popolazione
• Organismo
• Apparato
• Organo
• Tessuto
• Cellula

Omeoresi: assenza di controlli che riportano allo stato stazionario le regolazioni retroattive (+ e -) e fanno fluttuare il sistema. Omeostasi: presenza di sistemi di controllo retroattivi (+ e -) che mantengono uno stato stazionario. L’ecologia si interessa maggiormente dei livelli superiori al singolo organismo.

Popolazione: gruppo di individui della stessa specie.

Comunità: tutte le popolazioni che occupano una determinata area. (anche di specie diverse).

Ecosistema: risultato dell’interazione tra comunità e componenti abiotiche → biotipo.

Paesaggio: area territoriale eterogenea, composta da un insieme di ecosistemi interagenti che si ripetono in una configurazione caratteristica.

Bioma: unità regionali ampie estese su scala regionale o sub-continentale caratterizzate da un certo tipo di vegetazione o da altri aspetti identificativi del paesaggio.

Ecosfera: è il sistema biologico più grande in assoluto e più auto-sufficiente, include tutti gli esseri viventi della terra che interagiscono con l’ambiente fisico per formare un’unica entità, che si mantiene in uno stato “pulsante” grazie a meccanismi di auto-regolazione.

Il principio delle proprietà emergenti

Una conseguenza importante dell’organizzazione gerarchica è che combinando le parti che compongono un livello per produrre quello più elevato emergono nuove proprietà. Non è possibile prevedere una proprietà emergente di un livello ecologico studiando le sue componenti. Lo stesso concetto può essere espresso come proprietà irriducibile, cioè una proprietà dell’insieme non riconducibile alla somma delle proprietà delle sue parti.

La comprensione di un livello aiuta a capire il successivo anche se questo deve essere studiato come entità autonoma per avere un quadro d’insieme. Salt (1979) ha suggerito di distinguere tra proprietà emergenti e proprietà collettive, che sono l’insieme dei comportamenti delle componenti.

Poiché i meccanismi di retro-controllo (controllo, equilibrio, forze e controforze) operano trasversalmente, l’ampiezza delle oscillazioni tende a ridursi quando unità più piccole operano nell’ambito di unità di dimensioni maggiori. Statistica mente la variabilità di una proprietà di un sistema unitario è inferiore alla somma delle sue parti.

Funzioni trascendenti e processi di controllo

Mentre ci si può aspettare che ciascun livello della gerarchia ecologica abbia proprietà emergenti collettive uniche, ci sono importanti funzioni di base che interessano tutti i livelli della gerarchia: le funzioni trascendenti. Alcune di queste funzioni (es. l’energetica) agiscono nello stesso modo lungo tutta la gerarchia, mentre altre differiscono nel modus operandi ad ogni livello.

I retro controlli positivi e negativi hanno valore universale, dall’organismo in giù i livelli tendono a stabilizzarsi poiché sono coinvolti controlli molto rigorosi di tipo genetico, ormonale, neurale sulla crescita e sullo sviluppo (omeostasi). In accordo con questo, il retro controllo ha maggiore ampiezza, risulta oscillante più che stazionario (equilibri oscillanti). Per descrivere questo tipo di situazione è suggerito il termine omeoresi, dal greco “mantenere al corrente”.

I modelli

Per studiare l’ecologia a livello ecosistemico si inizia descrivendo le versioni semplificate di ecosistema che racchiudono solo le proprietà e le funzioni più importanti e basilari, ossia un modello. Un modello è la simulazione di un fenomeno reale mediante il quale si possono fare previsioni. Un modello nasce di solito con la costruzione di un diagramma con dei comparti o box.

Sono necessarie 5 componenti per simulare una situazione ecologica:

• Funzioni forzanti = E: una funzione / sorgente di energia
• Variabili di stato = P1, P2, … Pn
• Vie di flusso = F1, F2, … Fn: che mostrano dove l’energia o la materia trasferita collegano tra loro le proprietà e le forze
• Funzione di interazione: I: dove le forze e le proprietà interagiscono per modificare, amplificare, o controllare i flussi o creare nuove proprietà “emergenti”
• Anelli di retro-controllo = L: rappresentano i meccanismi di regolazione

Esempio:

• P = variabili di stato
• F = flussi
• I = interazioni
• L = anello di retrocontrollo

Per definire un buon modello si devono considerare:

• Lo spazio (come è delimitato il sistema)
• I sottoinsiemi (componenti) giudicati complessivamente importanti nella funzione
• L’intervallo di tempo

Una volta che in un ecosistema la sua situazione ecologica è stata definita e delimitata, viene sviluppata un’ipotesi testabile o una serie di ipotesi che possono poi essere accettate o respinte, almeno in modo provvisorio, in attesa di ulteriori esperimenti o analisi.

Lo scopo dell’ecologia

“Dal riduzionismo disciplinare all’olismo transdisciplinare”. L’ecologia è diventata una nuova disciplina olistica, che ha le proprie radici nelle scienze biologiche, fisiche e sociali; più che essere semplicemente una sottodisciplina della biologia. Un obiettivo dell’ecologia è quello di legare le scienze naturali a quelle sociali.

L'ecosistema

Gli organismi viventi e il loro ambiente non vivente (abiotico) sono inseparabilmente legati ed interagiscono gli uni con gli altri. L’ecosistema o sistema ecologico è una qualsiasi unità che comprende tutti gli organismi (componente biotica) di una data area interagenti con l’ambiente fisico (componente abiotica), in modo tale che il flusso di energia porta a strutture biotiche ben definite e ad un riciclo della materia tra componenti viventi e non viventi.

L’ecosistema è più di un’unità geografica, è un’unità sistemica funzionale, con entrate (input) e uscite (output) e confini che possono essere arbitrari o naturali. L’ecosistema è la prima unità gerarchica ecologica ad essere completa, ad avere tutti i componenti (fisici e biologici) necessari per la sopravvivenza. Pertanto è l’unità di base intorno alla quale organizzare sia la teoria che la pratica ecologica.

Poiché gli ecosistemi sono sistemi funzionalmente aperti, considerare sia l’ambiente d’entrata che l’ambiente di uscita è un'importante parte del concetto.

Struttura trofica dell'ecosistema

La struttura trofica (da trophe = nutrimento) è un intreccio di relazioni alimentari che sono strutturate su più livelli. Dal punto di vista della struttura trofica, un ecosistema è diviso in due strati:

1. Strato superiore = autotrofo (che si nutre da solo) o “fascia verde” di organismi vegetali contenenti clorofilla nel quale predomina la fissazione dell’energia luminosa, l’uso di sostanze inorganiche semplici e la costruzione di sostanze organiche complesse.
2. Strato inferiore = eterotrofo (nutrito da altri) o “fascia bruna” di suolo o sedimenti, materiali di decomposizione, radici, ecc. nel quale predominano l’utilizzazione, la trasformazione e la decomposizione di sostanze complesse.

È importante riconoscere come costituenti dell’ecosistema:

• Le sostanze inorganiche (C, N, CO₂, H₂O, ecc.) coinvolte nei cicli della materia
• I composti organici (proteine, lipidi, ecc.) comprendente il regime climatico e altri fattori fisici
• L’aria, l’acqua e l’ambiente di substrato comprendente il regime climatico e altri fattori fisici
• I produttori (autotrofi) principalmente piante verdi che possono sintetizzare cibo da sostanze inorganiche semplici
• I fagotrofi (phago = mangiare) principalmente animali che interagiscono con altri organismi o materia organica particolata
• I saprotrofi (sapro = decomporre) o decompositori, organismi eterotrofi soprattutto batteri o funghi, che ottengono la loro energia demolendo tessuti morti o assorbendo materia organica disciolta derivata dall'asseduazione o estratta dalle piante o da altri organismi
• I saprofagi (detritivori, frantumatori di particelle organiche, es. vermi) organismi che si nutrono di materia organica morta. Le attività decompositive rilasciano nutrienti inorganici che possono essere utilizzati dai produttori; essi forniscono anche cibo per i macroconsumatori e spesso rilasciano sostanze che inibiscono o stimolano altri componenti biotici dell’ecosistema.

Gradienti ed ecotoni

La biosfera è caratterizzata da una serie di gradienti, o zonazione di fattori fisici. Ad esempio, i gradienti di temperatura dell’artico e antartico ai tropici e dalle cime delle montagne alle valli. Le condizioni ambientali, compresi gli organismi adatti a tali condizioni, cambiano gradualmente lungo un gradiente, ma spesso ci sono punti di brusco cambiamento, conosciuti come ecotoni. Un ecotono è creato dalla giustapposizione di differenti habitat, o tipi di ecosistemi.

Il concetto assume l’esistenza di un’interazione attiva tra due o più ecosistemi (o tra patch all’interno degli ecosistemi), ciò fa sì che l’ecotono abbia proprietà che non esistono in alcuno degli habitat adiacenti.

Gli agroecosistemi (ecosistemi agricoli)

Gli agroecosistemi differiscono dagli ecosistemi naturali o seminaturali alimentati dall’energia solare (come laghi e foreste) per tre fondamentali aspetti:

• L’energia sussidiaria che aumenta o sussidia l’entrata di energia solare, è controllata dall’uomo e consiste di lavoro umano e animale, fertilizzanti, pesticidi, ecc.
• La diversità di organismi e coltivazioni è enormemente ridotta per massimizzare la resa delle coltivazioni di uno specifico prodotto di uso alimentare o altro genere.
• Vegetali e animali dominanti sono controllati dalla selezione artificiale piuttosto che dalla selezione naturale

Gli agroecosistemi sono progettati e gestiti per incanalare quanta più energia sussidiaria e solare possibile in prodotti commestibili o in altri prodotti di mercato attraverso un duplice processo:

1. L’impiego di energia sussidiaria per mantenere lavoro che nei sistemi naturali sarebbe compiuto dall’energia solare, consentendo così a una maggiore quantità di energia solare di essere convertita direttamente in cibo
2. La selezione genetica delle piante, utilizzate come fonte alimentare, e dagli animali domestici per ottimizzare la resa nell’ambiente specializzato ed energeticamente sussidiato

Come in tutti gli usi del suolo intensivi e specializzati, ci sono costi e benefici che includono l’erosione del suolo, l’inquinamento da pesticidi, e il dilavamento dei fertilizzanti, elevati costi dei sussidi di combustibile e pesticidi, ridotta biodiversità, maggiore vulnerabilità ai cambiamenti climatici e agli organismi nocivi.

Gli agrosistemi possono essere divisi in tre categorie:

1. Agricoltura pre-industriale (goy. Delle terre coltivate nel mondo) autosufficiente e a lavoro intensivo (il lavoro umano e animale fornisce il sussidio energetico), fornisce il cibo per il coltivatore e la sua famiglia ovvendita o baratto nei mercati locali, ma non produce un grosso surplus per l’esportazione. Tre tipi di colture predominanti:
   • La pastorizia: implica il pascolo in mandrie del bestiame in regioni aride e semiaride con persone che vivono di prodotti come latte, carne e pellame.
   • L’agricoltura transitoria (taglia e brucia): dopo che porzioni di foreste sono abbattute e i residui bruciati, le aree sono coltivate per pochi anni fino a che tutti i nutrimenti sono consumati dal suolo. Allora il sito viene abbandonato, per essere ringiovanito dalla naturale ricrescita della foresta.
   • Irrigazione per allagamento ed altri sistemi non meccanizzati
2. Agricoltura convenzionale o industriale (macchine e prodotti chimici forniscono il sussidio energetico), produce cibo che supera le necessità locali facendo così del cibo una merce ed una principale forza di mercato nell’economia piuttosto che fornire beni e servizi di sostegno alla vita fortemente inquinante.
3. Agricoltura sostenibile a basso input (LISA), agricoltura alternativa, pone enfasi sulle rese del raccolto e sui profitti sostenibili mentre riduce gli input di combustibili fossili, pesticidi, sussidi e fertilizzanti.

La diversità degli ecosistemi

La diversità degli ecosistemi può essere definita come diversità genetica, diversità di specie, diversità di habitat e diversità dei processi funzionali che mantengono i sistemi complessi.

È utile riconoscere due componenti della diversità:

• Componente della ricchezza o varietà, che può essere espressa come numero di “tipi” di componenti (come specie, varietà genetiche, categorie di uso del suolo e processi biochimici) per unità di spazio.
• Componente dell’abbondanza relativa o distribuzione delle unità individuali tra tipi differenti.

Il mantenimento di una diversità da moderata ad alta è importante non solo per garantire che tutte le nicchie funzionali chiave siano operanti, ma soprattutto per mantenere la ridondanza e la resilienza nell’ecosistema. Per proteggersi da eventi stressanti come uragani, malattie, ecc.

La diversità può essere quantificata e confrontata statisticamente in due modi fondamentali:

1. Calcolando gli indici di diversità basati sul rapporto tra le parti e l’insieme, o ni/N, in cui ni è il numero/percentuale di valori di importanza (es. numeri, biomassa, ecc.) ed N è il totale di tutti i valori d’importanza.
2. Tracciando il grafico dei profili grafici semi-logaritmici, chiamati curve di diversità-dominanza, nei quali il numero o la percentuale di ogni componente è ordinata in sequenza, dalla più alla meno abbondante. Più è rapida la curva, più è bassa la biodiversità.

L’indice di Simpson richiede la somma dei quadrati di ogni rapporto di probabilità ni/N, varia da 0 a 1, con valori elevati che indicano forte dominanza e bassa diversità.

L’indice di Shannon: Con Pi è la proporzione degli individui che appartengono alla specie i-esima. Una volta calcolato H; l’omogeneità (e) può essere calcolata dividendo H per il logaritmo del numero di specie.

Controllo biologico dell'ambiente geochimico: l'ipotesi di Gaia

Non solo gli organismi si adattano all’ambiente fisico, ma la loro azione combinata negli ecosistemi fa sì che l’ambiente geochimico si adatti alle loro necessità biologiche. Il fatto che la chimica dell’atmosfera, l’ambiente fisico fortemente tamponato della terra, e la presenza di una diversità di vita aerobia siano completamente differenti dalle condizioni esistenti in qualsiasi altro pianeta di questo sistema solare, ha portato all’ipotesi di Gaia.

L’ipotesi di Gaia afferma che gli organismi, si sono evoluti con l’ambiente fisico, producendo un sistema di controllo complesso autoregolatore che mantiene condizioni favorevoli per la vita sulla terra. (Lovelock, 1979)

Lovelock e Margulus conclusero che l’atmosfera terrestre, per il suo eccezionale contenuto ricco di ossigeno e povero di anidride carbonica, e le moderate condizioni di temperatura e PH sulla superficie terrestre, non possono essere spiegate senza le attività tamponanti critiche delle prime forme di vita e la continua attività coordinata di piante e microbi, che smorzano la fluttuazione dei fattori fisici che ci sarebbero in assenza di sistemi viventi e ben organizzati.

Concetto di impronta ecologica

L’importanza ecologica è l’area, esterna alla città, degli ecosistemi produttivi (terre coltivate e forestali, corpi d’acqua e aree naturali non sviluppate) necessari per mantenere la vita nella città. Le città sono punti caldi con input molto grandi di beni e servizi a sostegno della vita e grandi output di rifiuti. L’area dell’impronta ecologica dipende da:

1. Le richieste della città (o affluenza/cioè consumo medio)