Riassunti di Ecologia

Università di Catania Luigi Fiorentino Facoltà di Scienze Biologiche L-13

Riassunti ecologia

Contenuti del corso

Contenuti e limiti dell’ecologia: Ecosistema e sue proprietà; proprietà emergenti. Biotopo, Biocenosi. Habitat e Nicchia ecologica: concetti e definizioni - Principio di Gause - Ipotesi della compressione ecologica. Relazioni tra gli organismi ed il loro ambiente - Resistenza ambientale - Deriva dei continenti, Regioni biogeografiche e distribuzione degli organismi. L’ambiente fisico – Il suolo, l’acqua - Variabili fisiche e chimiche. I cicli biogeochimici principali: acqua, carbonio, azoto, fosforo, zolfo. Concetto di popolazione - Proprietà e dinamica delle popolazioni - Metodi di stima dell’ammontare della popolazione - Equazione logistica - Analisi demografiche - Strategie evolutive. Regolazione della popolazione - Accrescimento esponenziale - Fluttuazioni a ciclicità regolare o irregolare - Fattori densità-dipendenti e densità-indipendenti - Territorialità. Fattori limitanti - Legge di Liebig - Valenza ecologica - Teoria dell’ottimizzazione - Foraggiamento ottimale - Strategie riproduttive e parentali - Teoria dei giochi e strategie alternative. Evoluzione del comportamento altruistico - Modelli di comportamento sociale - Piramide ecologica, reti alimentari e flusso di energia – Produzione primaria - Relazioni tra organismi - Successioni ecologiche - Concetto di climax – Biomi - Squilibri dei cicli, inquinamento e desertificazione - Ecologia e sviluppo sostenibile.

Capitolo 1: Introduzione

Il termine “Ecologia” deriva dalla fusione di due parole greche, letteralmente: “discorso sulla casa”. Quando ci riferiamo all’ecologia non possiamo non tenere conto dell’importanza che l’ambiente rivesta nei sistemi biologici. La conoscenza dell’ambiente ha portato l’uomo ad apprendere quelle tecniche oggi scontate ma fondamentali per la sopravvivenza, quali il fuoco, da cui la costruzione degli utensili per la caccia e, di conseguenza, l’utilizzo di nuove e più efficaci tecniche per la venazione. Il mondo si è evoluto nel corso dei millenni e l’uomo ha rivolto il proprio sviluppato intelletto nella ricerca sempre più minuziosa del benessere, di qui la strada è breve verso la tecnologia e il suo contributo nella scienza.

Ma il primo a parlare di ecologia in termini scientifici in epoca moderna, precisamente nel 1971, fu Barry Commoner nel libro, oggi considerato la base fondamentale dell’ecologia, l’ABC, “The Closing Circle”. Ove sono illustrate e denunciate le quattro fondamentali leggi dell’ecologia:

• Ogni cosa è connessa con un’altra.
• Ogni cosa deve finire da qualche parte.
• La natura è l’unica a sapere il fatto suo.
• Non vi è distribuzione di pasti gratuiti.

In contemporanea, se non come immediato effetto della pubblicazione di questo libro, nascono i primi movimenti ambientalisti. Tuttavia bisogna fare distinzione tra i vari termini, apparentemente uguali nel significato:

• Ambientalismo: Concetto filosofico collegato a movimenti sociali che operano in difesa e salvaguardia dell’ambiente.
• Ecologia: Scienza che studia la biosfera, la porzione della terra contenente la vita.

Il nuovo concetto di Benessere a livello internazionale, accennato prima, alla luce degli accadimenti degli anni ’80, è sviluppo sostenibile, cioè quel tipo di evoluzione o sviluppo che soddisfa i bisogni di oggi senza compromettere quelli delle generazioni future. Il 2013 è stato l’“international year of water”. L’anno dell’acqua in cui non è mancato il ricordo di come ancora oggi 843 milioni di bambini soffrono la fame e la sete nei paesi sottosviluppati. Non dobbiamo dimenticare il valore scientifico dell’ecologia e ciò la rende, come tutte le altre scienze, suscettibile a subire apporti e influenze dalle altre scienze che ne arricchiscono il sapere, quali matematica, chimica e fisica.

Capitolo 2: L’ambiente modifica gli organismi

Così come l’ambiente induce processi evolutivi e adattativi su tutti gli organismi che lo abitano, questi stessi, di rimando, svolgono processi di modificazione dell’ambiente e lo manipolano in base alle loro necessità e al loro fabbisogno. L’uomo ne è l’esempio più chiaro anche se non con poche conseguenze, una delle quali è l’inquinamento, causa di morte di oltre 3 milioni di persone all’anno. Non mancano nemmeno i casi di inquinamento ambientale come i disastri in mare delle petroliere.

Cosa vuol dire ecologia?

Lo spiega Ernst Haeckel, il primo a parlare di ecologia - discorso della casa - “In una parola, (ecologia è) tutte quelle complesse relazioni riferite alla lotta per l’esistenza”. Altri illustri personaggi si sono cimentati nel corso degli anni nel definire il raggio di azione di questa scienza:

• Charles Elton 1927: Ecologia è studio degli animali e delle piante in relazione alle loro abitudini e al loro Habitat.
• Arthur Tansley 1935: Ecologia è studio di ecosistemi.
• Roger Dajoz 1971: L’ecologia è la scienza che studia le condizioni di esistenza degli esseri viventi e le interazioni tra questi e il loro ambiente.
• Eugene P. Odum 1971: L’ecologia studia il funzionamento e la struttura degli ecosistemi.
• C. J. Krebs 1985: L’ecologia studia le interazioni che determinano la distribuzione e l’abbondanza degli organismi.
• Cotgreave & Forseth 2004: Ecologia è studio di come distribuzione e abbondanza sono determinati dalle interazioni tra gli organismi stessi e il loro ambiente biotico e abiotico.

Non è facile descrivere la natura nella sua struttura in quanto questo procedimento include analisi su vari livelli quali ad esempio: distribuzione e abbondanza, influenza dei fattori biotici e abiotici, analisi della crescita di una popolazione e delle sue interazioni, studio dei fenomeni come competizione/mutualismo etc.; studio del trasferimento dell’energia nella biosfera… e molto altro. A questo punto, considerata la stragrande varietà di aspetti da considerare, possiamo concludere che:

L’ecologia è lo studio dell’ambiente naturale e delle interrelazioni tra gli organismi e l’ambiente in cui essi vivono. La ripartizione classica dell’ecologia prevedeva:

• Autoecologia: Studio dei rapporti di una specie con il proprio ambiente.
• Ecologia delle popolazioni: Studio delle relazioni quantitative e qualitative delle popolazioni.
• Sinecologia: Studio del complesso di specie presenti in un ambiente e interagenti tra loro e con l’ambiente stesso.

Ripartizioni più moderne prevedono:

• Ecologia comportamentale o Eto-ecologia: Studio del valore adattativo del comportamento.
• Sociobiologia: Studio delle origini del comportamento sociale.
• Ecologia umana: Studio delle origini dell’evoluzione delle interazioni uomo-ambiente.
• Ecologia applicata: Applicazioni pratiche dell’ecologia: problema dell’inquinamento, delle risorse rinnovabili e non.
• Ecologia ecosistemica: Studio degli ecosistemi nelle componenti biotica e abiotica.
• Ecologia del paesaggio: Studio dei cambiamenti spazio-temporali delle componenti biologiche in un dato paesaggio.

Come ogni scienza, l’ecologia presenta alcuni limiti teorici, come la difficoltà a trattare in termini olistici le innumerevoli acquisizioni riduzionistiche; e limiti pratici, legati soprattutto al metodo scientifico, in quanto l’ecologo come figura scientifica non può per sua natura elaborare analisi in laboratorio ma deve necessariamente stare a stretto contatto con l’ambiente oggetto di studio, e perciò non può artificialmente produrre un ambiente vista la complessità dei fattori che interagiscono.

La natura è organizzata in maniera gerarchica, dall’alto al basso:

BIOSFERA < BIOMA < PAESAGGIO < ECOSISTEMA < COMUNITA’ < POPOLAZIONE < ORGANISMO < APPARATO < ORGANO < TESSUTO < CELLULA.

Nonostante la chiara distinzione comprensiva, ogni organismo in natura non vive da solo, ma è quasi sempre inserito in un ecosistema che comprende al suo interno organismi molto differenti tra loro.

Capitolo 3: L’ecosistema

Un sistema è costituito da unità interagenti tra loro e subordinate rispetto all’insieme. In ecologia, l’ecosistema è l’unità funzionale della biosfera, una porzione di essa limitata naturalmente e costituita dall’insieme di organismi tra loro interagenti e con l’ambiente. Un ecosistema è il sistema complesso per eccellenza regolato da meccanismi di feedback e costituito da elementi (molti e diversi tra loro) e connessioni (numerose e spesso non-lineari).

Le dinamiche di un sistema così complesso dipendono molto dalle variazioni imprevedibili di fattori fisici e ambientali e dalle risposte degli organismi a queste variazioni. I sistemi possono essere:

• Aperti: Che scambiano sia energia che materia con l’ambiente.
• Chiusi: Cioè scambiano solo energia ma non materia con l’ambiente esterno.
• Isolati: Non scambiano né energia né materia con l’ambiente.

I sistemi biologici o ecosistemi costituiscono l’unità funzionale della biosfera e rientrano nella categoria dei sistemi aperti. Le caratteristiche principali dei sistemi biologici sono:

• Diversità e complessità
• Dinamismo: In relazione all’equilibrio raggiunto da un dato ecosistema e la capacità di esso di mantenerlo nel tempo: equilibrio dinamico.
• Autoregolazione: Capacità di un dato ecosistema di regolarsi e mantenere attraverso meccanismi di regolazione l’equilibrio pressoché invariato. Capacità di resistenza: Capacità di opporsi a mutamenti perturbativi degli equilibri; resilienza: Velocità nel superamento della situazione perturbativa e ritorno allo stato iniziale di equilibrio.
• Autosufficienza: Ecosistema che provvede autonomamente al proprio fabbisogno.

In un ecosistema l’intero conta più delle singole parti:

Principio delle proprietà emergenti: L’intero è più della somma delle sue parti. Una proprietà emergente è quella che si forma quando le singole componenti di un sistema entrano in contatto attraverso interazioni funzionali (Es. orchestra). Le parti principali di un ecosistema sono:

• La componente vitale detta Biocenosi: Costituita dall’insieme delle specie viventi.
• La componente fisica, relativa all’ambiente come spazio fisico determinato da proprietà fisiche e chimiche, detta Biotopo. Essa è costituita dai fattori abiotici, come: temperatura, umidità, substrato etc.

L’ecosistema è parte della biosfera. Gaia formulò una prima ipotesi secondo cui la terra nei suoi vari ecosistemi (marini e terrestri) viene mantenuta vivibile grazie all’azione degli organismi che già la abitano.

L’habitat di un organismo è proprio il luogo fisico in cui vive e da cui trae la materia prima per il suo sostentamento. Essi possono essere:

• Terrestri: Tra cui quelli rupestri nei pressi di altopiani e rilievi, o erbacei nel caso di un’aia, oppure desertici come per il Deserto del Namib.
• Acquatici: Come nel caso degli oceani o dei fiumi o dei laghi e via via ogni ambiente in cui è presente una massa d’acqua come solvente.

Ogni habitat viene analizzato e descritto secondo alcuni parametri:

• Estensione: Dipende da vari fattori tra cui la mole ovvero la quantità di materia presente.
• Motilità
• Regime alimentare
• Dispersione
• Territorialità
• Continuità: Che dipende da fattori come l’età; il frazionamento della popolazione (es: farfalla monarca); migrazioni; alternanza ritmica del sito di attività.

In generale, un sistema biologico gode del principio di non esclusività.

Capitolo 4: La nicchia ecologica

Il primo a parlare di Nicchia Ecologica fu Charles Elton, intendendo questa come: stato (o ruolo) funzionale di un organismo nella propria comunità. Essa comprende tutte le relazioni di un dato organismo con l’ambiente in cui vive; perciò diviene una caratteristica di un dato organismo. Più nello specifico essa comprende:

• Spazio (habitat)
• Ambito ottimale in termini di condizioni
• Ruolo trofico
• Optimum riproduttivo
• Aspetti comportamentali
• Aspetti temporali (stagione, ritmi)

La nicchia ecologica di una specie può essere rappresentata unidimensionalmente, bidimensionalmente o tridimensionalmente. In generale, la nicchia è un concetto multidimensionale, un iper-volume o iper-spazio, come diceva Hutchinson. Distinguiamo due tipi di Nicchia:

• Nicchia fondamentale: Intesa come il massimo iper-volume di una specie o, in altre parole, il ruolo che una specie potrebbe svolgere in condizioni ideali in un ambiente privo di ostacoli ed interferenze derivanti da altre specie.
• Nicchia realizzata: Il ruolo effettivamente svolto da una specie all’interno di un habitat ove sono presenti ostacoli, interferenze provenienti dai competitori (esempio: aquila del genere Chrysaetos; Animale che ha uno spettro trofico potenziale molto vasto e dipende essenzialmente dalle prede presenti in un determinato luogo).

A differenza dell’habitat, la nicchia gode del principio di esclusività e secondo il principio di Gause:

“Due popolazioni aventi corrispondenti nicchie ecologiche non possono coesistere a lungo senza una progressiva differenziazione della nicchia.”

L’esempio è quello dell’esperimento di Connell con due specie di parameci: P.Bursaria e P.Caudatum: questi organismi vennero posti in terreni di coltura costituiti da 5cc di soluzione salina assieme ad una quantità nota di nutrimento. Ponendo in colture separate le due specie di parameci si ottennero curve di accrescimento pressoché sigmoidali con raggiungimento di uno stato stazionario. Quando le due specie vennero immesse in uno stesso terreno di cultura, Gause osservò che: mentre P. Aurelia manteneva una curva di accrescimento logistico (per il significato di “accrescimento logistico” vedi capitolo 12), P. Caudatum, dopo un certo numero di giorni, cominciò a diminuire fino a scomparire del tutto. Una specie aveva escluso competitivamente l’altra, era cioè riuscita a lottare meglio per le risorse disponibili. Questo vuol dire, come ci dice anche l’esperimento di Connell, che: l’esclusione competitiva influenza la distribuzione e l’abbondanza.

Ogni specie tende a distinguersi per nicchia da tutte le altre e ciò implica evoluzione divergente e adattamento. Tuttavia in natura, così come è difficile una completa esclusione di una specie ad opera di un’altra, è anche difficile una completa distinzione delle nicchie; ne consegue una parziale sovrapposizione che implica un certo quantitativo di risorse condivise da due o più specie. È infatti comune che due specie possano avere nicchie parzialmente sovrapposte in relazione ad una data caratteristica ma poi essere assolutamente distanti per un’altra caratteristica. Se non avvenisse differenziazione della nicchia e evoluzione divergente tra le due specie, la più competitiva finirebbe per escludere l’altra. L’unica alternativa è la ripartizione delle risorse, in cui una delle due specie modifica la propria fisiologia per ridurre la competizione e ciò permette la convivenza anche di più specie in uno stesso habitat.

È anche vero che vi sono meccanismi di coesistenza tra specie con esigenze ecologiche simili e ciò dipende soprattutto dalla disponibilità della risorsa e dall’utilizzo a cui la risorsa viene sottoposta lungo un continuum. Quando una o più specie si aggiungono nella spartizione di una risorsa precedentemente giostrata da altre specie già presenti può accadere che:

• Aumenta la diversità: Ampiezza e sovrapposizione delle nicchie non variano.
• Diminuisce l’ampiezza: La diversità non varia ma aumenta la specializzazione di ogni specie.
• Aumenta il grado di condivisione: Di quella risorsa e quindi si ha maggiore sovrapposizione tra le nicchie adiacenti.

Succede spesso che i caratteri di specie affini tendano a sovrapporsi in condizioni di allopatria (ovvero quando le specie sono geograficamente separate) mentre tendano a divergere in condizioni di simpatria (laddove cioè le due specie sono geograficamente vicine). È l’esempio dei Fringuelli di Darwin che popolano le isole Galapagos, si è studiato che nonostante queste specie mostrino notevoli affinità morfologiche (il che lascia pensare che abbiano antenato comune), mostrano grande diversità nella forma e grandezza del becco. In condizioni di simpatria due specie di Geospiza che popolano le isole di S. Maria e S. Cristobal, hanno becchi nettamente differenziati mentre il becco di G. Fortis da solo sull’isola di Daphne mostra caratteristiche intermedie a quelle precedentemente analizzate sulle altre isole. Tale fenomeno viene detto spostamento dei caratteri ed è da considerarsi come una risposta evolutiva alla competizione interspecifica.

Con il termine equivalenti ecologici intendiamo le specie che occupano nicchie simili in regioni diverse e possono essere morfologicamente simili o molto diversi tra loro (esempio il canguro australiano ha la stessa nicchia del bisonte americano).