Nozioni, Ecologia

Scopi ecologia e milestones

Ecologia deriva dalla fusione di due parole greche: Oikos(oikos) e logos (logos), ovvero “lo studio della casa comune”.

Modernamente l’Ecologia è “lo studio scientifico della distribuzione e dell’abbondanza degli organismi e delle interazioni che le regolano”

I fondatori dell’ecologia moderna

Ernst Haeckel(1866): OEKLOGIE “La scienza comprensiva della relazione dell’organismo con l’ambiente” “lo studio dell’ambiente naturale e delle interrelazioni tra gli organismi e l’ambiente in cui essi vivono”

Storia dell’ecologia

1800-1920: I primi passi con la fisiologia delle funzioni ecologiche

• Priestly: fotosintesi
• Liebig: nutrizione delle piante
• Winograsky: microbiologia del suolo
• Waksman: decomposizione

Un po’ di storia (Novecento)

1905

• Clements scrive il testo Research methods in ecology
• Ross introduce un modello dell’epidemia di malaria (interazione uomo-zanzara anofele): nasce l’ecologia dei parassiti.

1913 Fondazione della British Ecological Society

1915 Fondazione dell’Ecological Society of America

1919 Primo numero della rivista Ecology

1923 Elton scrive il testo Animal ecology

1924-26 Il biofisico americano Alfred J. Lotka e il matematico italiano Vito Volterra introducono i primi modelli matematici volti ad esprimere le dissolvenze i rapporti tra le diverse specie (predazione, competizione, simbiosi).

1920-1950: Sviluppo del concetto di ‘Ecosistema’

• Elton (1927): nicchia e catena trofica
• Tansley (1935): coniato il termine ‘ecosistema’
• Lindeman (1942): energia come moneta di scambio individuale, nelle funzioni/interazioni
• Odum (1969): approccio sistemico

1960: Nascita della moderna ecologia e ecosystem ecology

1964: International Biological Program – grande progetto mondiale per coordinare gli studi ecologici e biologici su larga scala

1970: Inizio dell’era dello studio degli ecosistemi

1980: Espansione delle scale e maggiore focus sperimentale

• Integrazione dei meccanismi
• Sviluppo dell’ecologia del paesaggio
• Attenzione all’ecologia del tropici

1990: Global Change

• Scala globale – scienza del sistema Terra
• Integrazione con la climatologia

2000: Integrazione con ecologia di popolazione e di comunità Ruolo della composizione della comunità sui processi Oggi: fine della “Ecosystem Ecology” – transizione verso l’Ecologia come biogeochimica/biogeoscienza

Tansley (1940): “La scienza che si occupa delle relazioni delle piante con il loro ambiente in relazione alle differenze degli habitat”

Elton (1927): “La scienza che si occupa della sociologia ed economia degli animali piuttosto che dei loro adattamenti strutturali e fisiologici”

Krebs (1972): “Lo studio scientifico delle interazioni che determinano la distribuzione e l’abbondanza degli organismi”

Scopi ecologia e milestones

I confini dell'Ecologia

• sistema solare
• terra
• biosfera
• biomi
• comunità/ecosistemi
• popolazioni
• organismi
• organi
• tessuti
• cellule
• molecole

È importante evidenziare che se da un punto di vista didattico si usa questa classificazione, da un punto di vista funzionale, non esistono "demarcazioni" tali da potere "isolare" le singole unità di questo schema. Questo deriva dal fatto che ogni singolo componente è caratterizzato da uno "spettro di funzioni" che caratterizza un singolo livello che è sempre integrato con il livello successivo e precedente.

Gerarchia e livelli di organizzazione

• Popolazione: un gruppo di individui di qualunque specie
• Comunità: tutte le popolazioni che occupano una data area
• Ecosistema: interazione tra comunità e componenti abiotiche
• Paesaggio: un'area territoriale eterogenea composta da una serie di ecosistemi interagenti che si ripetono in una configurazione caratteristica
• Bioma: unità territoriali ampie ed estese su scala regionale o sub-continentale caratterizzate da unità identificative del paesaggio
• Biosfera/Ecosfera: tutti gli esseri viventi sulla terra che interagiscono con l'ambiente fisico

Livelli di organizzazione

• Biosfera
• Ecosistema
• Comunità
• Popolazione
• Organismo
• Organo
• Cellula
• Gene

ENERGIA

Obiettivo: massimizzazione dello sfruttamento di energie

DNA

Obiettivo: sviluppo del programma genetico

Ecologia degli ecosistemi

• Intero ecosistema

Ecologia delle comunità

• Gruppi di specie che interagiscono

Ecologia delle popolazioni

• Dinamiche individuali e a livello di specie

Eco-fisiologia

• Funzionamento dei singoli individui

Biochimica

• Pathways e controllo delle reazioni biologiche

Keywords dell'ecologia

• Interazione: relazione tra sistemi funzionali
• Sistema: componenti interdipendenti ed interattive che formano un sistema unico
• Variabilità

C.I. Ecologia con eserc. Pagina 2

Fisiologia animale

Gli ecologi che studiano gli aspetti fisiologici degli organismi si occupano di capire come gli animali vivono e "funzionano" all'interno del loro ambiente, che è in costante cambiamento.

L'ecofisiologia occupa un ruolo centrale all'interno dell'ecologia e della biologia. Ha una lunga tradizione e tenta di legare l'espressione genomica ai tratti delle storie vitali di un organismo. Ogni processo biologico che lega i geni al comportamento dovrà essere compreso ed interpretato ad un livello fisiologico per avere un quadro completo di come funziona un organismo.

Per esempio i pesci ectotermi polari contrastano la formazione del ghiaccio all'interno del loro sangue. La proteina antigelo tipica della famiglia degli Nototenioidei ha una struttura idonea per il riconoscimento della struttura dei cristalli di ghiaccio nei fluidi. Sembra che i pesci, una volta che le proteine hanno riconosciuto la struttura del cristallo di ghiaccio, che se si accumulasse dovrebbe un punto di aggregazione per altri cristalli, riescano a trattare, mediante l'azione del sistema immunitario, le proteine antigelo come patogeni (mettono in atto tutte quelle difese che servono ad "uccidere" o "eliminare" il corpo estraneo).

Relazione di questo aspetto fisiologico con il concetto di nicchia = se andiamo a confrontare la presenza di queste proteine codificate da pezzi specifici di DNA in questi pesci, ci accorgiamo che quasi tutti i pesci antartici usano lo stesso meccanismo.

Da ciò deriva che è possibile la sopravvivenza in condizioni di "ghiacciaiamento" solo se un organismo possiede sufficienti quantità di proteine anti-gelo. Di recente è stato visto che i pesci artici possiedono meccanismi simili.

L'adattamento degli organismi alla variabilità ambientale è guidata da:

• scelte e compromessi (trade-off). Se un organismo spende troppa energia in certe funzioni la difesa anti-predatoria, la ricerca del cibo, la maturazione spermatica... non avrà sufficiente energia per altre funzioni. E' sempre un problema di bilanci e di princìpi primi che regolano il flusso di energia (princìpi della termodinamica). Alcuni compromessi sono noti per la maggior parte degli organismi in natura. Se un organismo investe troppo nella riproduzione, esso avrà una vita più breve. E se un organismo cresce molto velocemente, esso ha bisogno di una maggiore quantità di risorse, ed è nuovo avrà una aspettativa di vita minore.
• le performance individuale come misura integrata della fitness individuale. Gli eco-fisiologi devono occuparsi della risposta dell'intero organismo. Immaginate cosa significherebbe occuparsi della risposta delle singole fibre muscolari al variare delle condizioni termiche (lavoro da fisiologi puri, che dovrebbero isolare ogni singola fibra, coltivarle o mantenerlo in laboratorio e quindi studiare la loro risposta alle varie temperature). Cosa ben diversa è studiare la risposta di un intero organismo che deve raggiungere le massime performance nel caso di fuga a varie temperature. La massima velocità anche in condizioni avverse, deve essere raggiunta in caso di fuga dal predatore, in caso di mascheramento dei piccoli di fronte ad un pericolo, sesso nel corteggiamento, nell'abilità al combattimento fra maschi della stessa specie... Ad ogni modo è stato visto che la velocità di reazione allo stimolo da parte della maggior parte degli organismi ectotermi, che rappresenta oltre il 99% degli organismi viventi, è da mettere in relazione alla temperatura. La velocità di reazione individuale (e.g. fuga da un predatore) è tanto maggiore quanto essa avvenga in condizioni medio-basse. Agli estremi del campo di temperatura, essa diminuisce sensibilmente secondo un andamento simili-normale asimmetrico.

I processi fisiologici più importanti nella risposta ecologica multi-livello:

• acquisizione dell'informazione ambientale. L'acquisizione dell'informazione dall'esterno ha un costo che è necessario quantificare. Per esempio è stato visto che il sistema di ecolocazione tipico dei pipistrelli ha dei costi energetici non indifferenti dovuti sia all'immediata spesa energetica del processo, sia alla spesa energetica per produzione e mantenimento degli organi e dei tessuti cerebrali coinvolti. Alcuni piccoli passeriformi, che migrano da un continente ad un altro, devono affrontare importanti spese energetiche per il mantenimento dei tessuti cerebrali che servono per la migrazione. Essi prima di partire per il primo lungo viaggio migratorio hanno un ippocampo molto piccolo, ma durante questa prima migrazione essi aggiungono nuove cellule all'ippocampo volte al ricordo e alla lateralizzazione spaziale. Siccome, lo spazio cerebrale è limitato e costante, essi per allocare queste nuove strutture, devono ridurle, distruggendole, altre strutture di minore importanza --> trade-off
• trasferimento dell'informazione tramite i meccanismi di comunicazione interni e regolazione delle funzioni fisiologiche. Una volta che l'informazione ambientale è stata acquisita, è necessario trasferirla in modo da essere utilizzata per la regolazione fisiologica. Anche in questo caso la tendenza a minimizzare i costi a trade-off sono i princìpi guida di questa fase dei processi. La trasmissione delle informazioni provenienti dall'ambiente esterno avviene raramente tramite meccanismi elettrico-neuronali. Le connessioni elettriche sono troppo costose, da un punto di vista energetico ed ecocomologia, nella maggior parte dei casi. L'evoluzione ha messo a punto invece il trasferimento dell'informazione mediata da ormoni. Gli ormoni e la loro produzione sono meno costosi per essere prodotti. Il principale vantaggio che favorisce l'uso di questi messaggeri chimici risiede nel fatto che la loro produzione è flessibile a vari livelli. I processi fisiologici possono essere regolati in funzione della loro produzione, del loro trasporto verso i tessuti target, della possibile rottura dei messaggeri chimici, del numero dei recettori e del numero di tessuti.

C.I. Ecologia con esrec. Pagina 6