L'ecologia

Ecologia

L'ecologia è una disciplina scientifica estesa di contenuti, il cui termine significa letteralmente “discorso attorno alla casa” (OIKOS= casa, LOGOS= discorso), che si occupa di leggere, interpretare, descrivere i rapporti fra gli esseri viventi che si trovano all’interno di una abitazione e l’abitazione stessa. È una disciplina molto simile (il concetto di crescita ad esempio) all’economia (OIKOS= casa, NOMOS= normativa, regola), quindi la disciplina che si occupa dello studio delle regole che gestiscono una casa, anzi al giorno d’oggi l’ecologia è considerata un sottosistema di quest’ultima. Questo purtroppo non farà altro che creare problemi portando al depauperamento delle risorse in quanto si va incontro ad una crescita demografica incessante e ad un continuo sfruttamento dell’ecosistema.

Il termine ecologia fu usato per la prima volta da Haeckel nel 1869 definita come lo studio delle interazioni tra gli organismi e il loro ambiente. È quindi una disciplina piuttosto giovane, se paragonata a materie come matematica, zoologia ecc. ma che “vive” nell’uomo fin dall’antichità. Una definizione più recente di ecologia è risalente al 1972 di Krebs: “l’ecologia è lo studio scientifico delle interazioni che determinano la distribuzione e l’abbondanza degli organismi” (NON compare la parola ambiente). L’ecologia si può leggere anche alla luce dell’ecologia umana, la nostra popolazione è soggetta alle stesse leggi delle altre popolazioni che vivono negli altri ambienti, la differenza sostanziale tra noi e gli altri organismi è che l’essere umano è in grado di piegare l’ambiente a proprio vantaggio.

Cos'è l'ambiente?

L’ambiente di un organismo è costituito da tutti quei fattori e fenomeni esterni all’organismo stesso che lo influenzano, sia biotici (es. altri organismi) che abiotici (fisici, chimici). L’ecologia si divide su tre livelli di interesse:

• Autoecologia: rapporti tra un singolo individuo ed il suo ambiente;
• Ecologia di popolazione: si occupa dei rapporti tra una popolazione (più individui della stessa specie) ed il suo ambiente;
• Ecologia a livello di una comunità: rapporti di una comunità (più popolazioni diverse) all’interno del suo ambiente (sia i rapporti tra una specie e l’ambiente che tra una specie e l’altra).

A livello di organismo l’ecologia si occupa del modo in cui gli organismi vengono influenzati dal loro ambiente biotico e abiotico (e di come lo influenzano). A livello di popolazione si occupa della presenza di alcune specie, delle abbondanze e delle rarità e delle tendenze e delle fluttuazioni degli individui che la compongono. A livello di comunità l’ecologia si occupa della composizione e della struttura della comunità e delle vie seguite dall’energia, dalle sostanze nutritive ecc.

Inoltre, l’ecologia si occupa di studiare le interazioni esistenti anche negli ambienti “costruiti” dall’uomo o dall’uomo fortemente influenzati (aree urbane, campi, frutteti, riserve ecc...) si parla di agro-ecosistemi.

Rami dell'ecologia

L’ecologia può essere suddivisa in diversi rami anche rispetto agli habitat che sono soggetti a studio in:

• Habitat acquatici: l’oceanografia, l’ecologia marina e l’ecologia fluviale o limnologia;
• Habitat terrestri: ecologia artica, ecologia forestale, ecologia agricola ed ecologia urbana (le nostre città sono così grandi e ramificate che ormai offrono risorse per moltissime specie animali e piante).

Infine, suddividiamo l’ecologia in ecologia teorica che interessa soprattutto per la costruzione di modelli (es. uno studio del politecnico di Milano sulle variazioni della corrente del Golfo ha permesso la creazione di un modello utilizzato dagli allevatori di anguille); ecologia applicata; ecologia della conservazione; ecologia del recupero e per concludere ecologia economica o economia ambientale.

Coscienza ambientalista

La coscienza ambientalista si è sviluppata intorno agli anni 1968-70, con la percezione spaziale ed unicità del nostro pianeta fotografato dagli astronauti e l’acuirsi dei problemi dell’inquinamento, della crescita demografica, della salvaguardia della biodiversità ecc... In questo inizio di secolo la questione ambientale si è imposta prepotentemente a livello globale in seguito all’aggravamento dei problemi precedenti e alla presa di coscienza che un’alterazione dell’ambiente può portare a gravi conseguenze per la sopravvivenza stessa della nostra biosfera.

Scuole di pensiero in ecologia

Dal punto di vista dei libri l’ecologia può essere descritta secondo due grandi correnti di studio: la scuola di Odum con un approccio olistico (l’olismo si attua senza soluzione di continuità, la gerarchia scalare è solo una notazione esplicativa, il singolo individuo non può vivere al di fuori di una popolazione, le comunità non sopravvivono senza cicli biogeochimici ecc.) in cui gli ecosistemi sono visti come meccanismi in cui l’energia viene utilizzata, dissipata e passa da un livello gerarchico all’altro e la scuola di MacArthur che è un po' più riduzionista (spiega i fenomeni abbassando il livello di analisi, quindi ad esempio descrivendo cos’è un parassita, un competitore ecc.).

Cos'è un ecosistema?

Gli organismi interagiscono con l’ambiente (e tra di loro) all’interno di un ecosistema.

Termini utilizzati in ecologia

• Gerarchia: disposizione in serie progressiva, l’organizzazione gerarchica fornisce lo strumento concettuale per un approccio olistico;
• Sistema: insieme unico formato da diverse componenti interdipendenti ed interattive;
• Popolazione: insieme di individui appartenenti alla stessa specie;
• Comunità: insieme di popolazioni che occupano la stessa area (biocenosi);
• Biotopo: una determinata area, con le sue componenti abiotiche. Il biotopo è la componente fisica non vivente degli ecosistemi;
• Ecosistema: biotopo + biocenosi;
• Paesaggio: area territoriale eterogenea, composta da ecosistemi interagenti che si ripetono in una configurazione caratteristica.

Conseguenza dell'organizzazione gerarchica

Proprietà emergenti: combinando le parti che compongono un livello per produrre quello più elevato emergono nuove proprietà che non sono semplicemente la somma delle proprietà precedenti. Per lo stesso motivo esistono proprietà dell’insieme non riconducibili alla somma delle proprietà delle sue componenti. Queste proprietà si riscontrano anche in altre discipline scientifiche, un esempio sono le proprietà dell’acqua, diverse da quelle di idrogeno e ossigeno presi singolarmente. In ecologia un esempio di proprietà emergenti si riscontra nelle barriere coralline le quali hanno proprietà differenti rispetto alle alghe (autotrofi) e ai celenterati (eterotrofi) che ne fanno parte. Un altro esempio di proprietà emergente la si riscontra osservando una formica, che ha determinate proprietà, e un formicaio costituito da migliaia e migliaia di formiche (maggior capacità difensiva, maggior capacità di recupero delle risorse).

Proprietà collettive: proprietà ad un livello superiore rispetto al singolo, non implicano caratteristiche nuove derivanti dal nuovo livello, ma solo l’integrazione di caratteristiche preesistenti (es. la natalità, proprietà collettiva tipica della popolazione, deriva solo dalla somma delle nascite riportabili ai singoli individui; la proprietà di un insieme di formiche ad esempio è semplicemente il numero di zampe che esse hanno).

Nell’ambito delle proprietà emergenti si realizzano meccanismi di retro-controllo

A livello di questa organizzazione gerarchica c’è una tendenza all’equilibrio:

• Omeoresi: tendenza di un sistema a mantenere sé stesso in una fase di equilibrio oscillante; ciò è generato dall’interazione dei cicli della materia e dei flussi di energia insieme ai feedback dei piccoli sistemi. Questo si verifica a livelli superiori all’organismo.
• Omeostasi: tendenza di un sistema a resistere ai cambiamenti e a mantenere sé stesso in una fase di equilibrio stabile, si verifica a partire dai livelli inferiori all’organismo.

Ogni livello di sistema biologico ha proprietà emergenti uniche e proprietà collettive uniche, inoltre ha minore variabilità dei sottosistemi di cui è composto. Ciascun livello della gerarchia ha inoltre funzioni trascendenti: sono funzioni di base che operano a qualsiasi livello (energetica, comportamento, sviluppo, evoluzione).

Ecologia ed evoluzione

Differenti tipi di organismi non sono mai distribuiti in modo casuale in differenti tipi di ambiente, ma tra gli uni e gli altri esiste una corrispondenza ben precisa. Gli organismi si sono evoluti nel tempo e adattati all’ambiente in cui vivono. Tutta la biologia moderna ha alla base la teoria dell’evoluzione di Darwin (teoria della selezione naturale):

• Gli individui che costituiscono la popolazione di una specie non sono identici, variano nella taglia, nella velocità di sviluppo, nella risposta alla temperatura ecc. Questo garantisce una notevole variabilità
• Una parte di questa variazione è ereditaria. I caratteri di un individuo sono determinati in una certa misura dalla sua costituzione genetica. In pratica la prole condivide i caratteri dei genitori
• Tutte le popolazioni hanno una notevole potenzialità riproduttiva ma…
• Differenti individui lasciano differenti numeri di discendenti (“setaccio” evolutivo)
• Il numero di discendenti che un individuo lascia dipende strettamente dall’interazione tra i caratteri dell’individuo ed il suo ambiente.

L’idea della trasformazione temporale del mondo vivente era già presente in alcuni classici greci (Anassimandro, Empedocle) ma non si affermò. Verso la fine del Seicento, si affermò, la convinzione che la superficie della terra non è sempre stata come la vediamo, e che quindi sono avvenute profonde trasformazioni, e questo crebbe a partire da evidenze geologiche ed evidenze paleontologiche (fossili).

Come si spiegavano i fossili?

Non sono resti di piante o animali, ma metallofiti, cioè concrezioni minerali; non sono estinti; sono gli organismi morti nel diluvio universale; sono frutto di tante creazioni.

Teorie precedenti a quella di Darwin

• Buffon: la terra non ha seimila anni ma qualche centinaio di migliaia.
• Lamarck: esiste una variazione negli organismi, dovuta a due principi: - l’ambiente esercita un’azione sugli organismi, modellandoli; queste variazioni vengono poi trasmesse alla prole (trasmissione dei caratteri acquisiti) – esiste una tendenza al progresso, un impulso alla trasformazione e all’evoluzione negli organismi stessi.
• James Hutton: teorie geologiche. Il mondo è più antico di quanto si riteneva (milioni di anni) e le montagne si formano e si distruggono teoria dell’uniforminismo o attualismo secondo cui le stesse leggi naturali che erano valide in passato sono tutt’ora valide.

Quindi la selezione naturale è il motore dell’evoluzione biologica, sopravvive il più adatto a quel determinato ambiente. Le caratteristiche della teoria di Darwin e Wallace erano:

• Lotta per l’esistenza
• Sopravvivono alcuni organismi, portatori di alcuni caratteri
• Questi si riproducono e trasmettono i loro caratteri favorevoli
• In un ambiente diversificato e che cambia, questo porta al cambiamento della specie!

Quello che Darwin non sapeva era come questi caratteri venivano trasmessi da una generazione all’altra, non si conoscevano ancora i principi della genetica (Mendel). La teoria di Darwin più i principi di Mendel fondarono quello che è oggi il Neodarwinismo: la selezione naturale è il principale agente che opera sulla variabilità prodotta dalle mutazioni ed è la principale causa dell’adattamento. Le nuove specie si formano con l’accumulo di diversi geni e/o combinazioni genetiche in popolazioni riproduttivamente isolate. L’evoluzione è un processo che agisce su diverse scale, da un livello molto piccolo, di popolazione, microevoluzione, ad uno molto grande, a livello di una serie filogenetica, macroevoluzione.

Entrambi questi processi si basano sugli stessi meccanismi:

• Mutazione: un cambio nella sequenza del DNA, generalmente legato ad un errore di replicazione o altro. È la fonte principale di variabilità genica
• Migrazione: il movimento degli individui tra le popolazioni (flusso genico)
• Genetic drift: cambiamenti casuali nella frequenza genica di una popolazione da una generazione all’altra. Avviene in seguito al fatto che alcuni genotipi si riproducono più di altri perché sono più “fortunati”. Alcuni genotipi possono anche sparire. Tra i fenomeni di drift genetico ricordiamo l’effetto collo di bottiglia (diminuzione drastica e improvvisa di una popolazione) e l’effetto del fondatore (l’allontanamento di un gruppo ristretto di individui da una popolazione nel tentativo di colonizzare un nuovo territorio).
• Selezione naturale: distinguiamo tre tipi di selezione: selezione stabilizzante che opera contro gli estremi fenotipici; selezione direzionale che produce una tendenza evolutiva; selezione divergente o diversificante che opera a favore degli estremi fenotipici.

La microevoluzione

È semplicemente un cambiamento nella frequenza dei geni all’interno di una popolazione e può essere osservata su brevi periodi di tempo (es. la frequenza di un gene che incrementa la resistenza ai pesticidi può aumentare in una specie di coleotteri; la taglia dei passeri in Nord America; la rapida evoluzione di meccanismi di resistenza agli antibiotici nei batteri). La microevoluzione può sembrare troppo poco importante per spiegare fenomeni come la colonizzazione delle terre emerse da parte dei vegetali, la radiazione evolutiva dei dinosauri o l’origine della nostra specie. Tuttavia, essa è una forma molto potente poiché agendo per milioni di anni porta alla macroevoluzione.

Cos’è una popolazione?

Una popolazione è un gruppo di animali che si riproducono tra di loro, e quindi che condividono un determinato pool genico. I biologi che studiano l’evoluzione a questo livello definiscono l’evoluzione come il cambiamento nella frequenza di geni all’interno di una popolazione (es. l’evoluzione dei coleotteri).

La speciazione

Cosa sono le specie e come si evolvono? Una specie è quel complesso di individui che hanno in comune lo stesso pool genico e che possono dar vita ad una prole feconda. In questo senso una specie è il più grande pool genico possibile in condizioni naturali. All’interno della definizione di specie troviamo delle categorie che portano ad alcuni problemi: i batteri (che si riproducono asessualmente) e gli ibridi, ovvero incroci di individui di due specie differenti (sbagliate) che portano alla nascita di un individuo nuovo.

Cause della speciazione

• Isolamento genetico: la presenza di barriere riproduttive che isolano geneticamente gli individui della specie.
• Riduzione del flusso genico: avviene in una popolazione priva di specifiche barriere al flusso genico (es. una popolazione che vive in un areale molto vasto; gli individui che vivono ad un estremo dell’areale non hanno minimamente possibilità di accoppiarsi con quelli dell’altro estremo. Così il flusso genico è ridotto in quella direzione. Se intervengono anche diverse pressioni selettive in diverse parti dell’areale, ecco che può avvenire la speciazione).
• Isolamento riproduttivo che a sua volta può avvenire: attraverso l’evoluzione di diverse località, stagioni e rituali inerenti alla riproduzione (es. uccelli giardiniere); attraverso l’evoluzione di apparati riproduttivi particolari; attraverso mortalità o sterilità dei discendenti (es. muli).

Prove evidenti della speciazione

• Prove sperimentali: esperimenti di Diane Dodd con la Drosophila (facendo variare il cibo dei due gruppo di insetti).
• Prove geografiche: popolazioni della stessa specie in diverse località geografiche dovrebbero essere geneticamente differenti, questo è vero. Esistono molte “varietà geografiche”.

La co-speciazione

Se due specie sono strettamente ed ecologicamente connesse, esse possono speciare parallelamente (particolarmente evidente nei rapporti ospite-parassita, l’essere umano difficilmente riesce ad essere infetto dalle pulci del cane mentre è più probabile che possa prendere le pulci da uno scimpanzé). Una prova della co-speciazione sono gli alberi filogenetici speculari (es. le pulci del lemming lo scambio genetico tra lemming favorisce lo scambio genetico tra pulci se i lemming si dividono filogeneticamente in due linee A e B allora le pulci di A avranno meno possibilità di scambiare geni con le pulci di B isolamento geografico e speciazione).

La macroevoluzione

È l’evoluzione su grande scala, avviene anche al di sopra della specie. Piuttosto che focalizzarsi su una singola specie la macroevoluzione è legata ad indagare la diversità dell’intera linea filetica della specie e la sua posizione all’interno dell’albero filogenetico. Presenta alcuni pattern ricorrenti:

La stasi. Molti organismi non mostrano cambiamenti evolutivi significativi per lunghi periodi, mantenendo le stesse caratteristiche per milioni di anni.