Riassunto Ecologia I

Ecologia 1

Biodiversità e sistemi naturali

Biodiversità: insieme di strutture e funzioni diversificate sviluppati dai sistemi viventi, in base a efficienza nell’uso di risorse materiali/energetiche. Livelli differenti diversità: genetica, specie, comunità/ecosistemi.

Sistemi naturali: interazioni organismi-ambiente, differenti scale spazio-temporali, eventi interconnessi.

Problema attuale: esplosione demografica popolazione umana (a partire da rivoluzione industriale, soprattutto ultimo secolo) porta ad alterazione/distruzione sistemi naturali, perdita biodiversità (6a estinzione di massa) tassi estinzione attuali  (uccelli e mammiferi) 1% specie/secolo, 100-1000 volte superiori a tasso naturale estinzione (dimostrato da paleontologia).

Ciò dovuto a: sviluppo urbano e industriale, creazione ecosistemi di produzione (agricoltura), sfruttamento eccessivo risorse non rinnovabili, immissione inquinanti, cambiamento climatico globale, introduzione specie aliene invasive  perdita/riduzione beni e servizi forniti da sistemi naturali a società umana  necessario comprendere funzionamento tali sistemi per mitigare/compensare effetti azioni umane.

Ecologia = studio scientifico relazioni tra organismi e loro ambiente (componente abiotica/fisica e biotica/vivente) e quelle con altri organismi, processi che controllano distribuzione/abbondanza organismi basata sulla Selezione Naturale (Darwin).

Livelli di studio dell’ecologia

 Livelli tradizionali di studio ecologia (processi/caratteristiche differenti  approcci/metodologie diverse):

• Individuo: caratteri morfologici, fisiologici, comportamentali influenzano  capacità di sopravvivere e riprodursi adattamento al proprio ambiente,  fitness: contributo genetico individuo alle successive generazioni. Confronto caratteristiche chiave di specie in ambienti differenti fattori che influenzano  loro distribuzione (spazio e tempo).
• Popolazione: insieme organismi della stessa specie che vivono in un’area  particolare e interagiscono (interazione principale riproduzione) mantenendo un pool genico omogeneo (chiuso, no flusso genico). Es analisi numero individui e rapporto sessi in popolazione cervi.
• Comunità: insieme popolazioni specie diverse che coesistono e interagiscono  nello spazio-tempo (es barriera corallina).
• Ecosistema: insieme componenti biotiche (comunità) e abiotiche,  caratterizzato da flusso di energia e ciclo della materia; analisi tassi e proprietà collettive.

Ecologi considerano anche scale più ampie:

• Paesaggio: mosaico ecosistemi, confini definiti da evidenti cambiamenti  habitat e comunità chiazze (patches). Studio relazione pattern spaziale (come  sono disposte chiazze paesaggio) e processi ecologici.
• Biomi: sistemi complessi e molto estesi costituiti da insieme ecosistemi, dove  comunità vegetali-animali hanno raggiunto relativo adattamento a condizioni ambientali (foreste tropicali, deserto, tundra, ecc).
• Biosfera: assieme tutti ecosistemi terrestri idrosfera, parte inferiore   atmosfera, parte superiore litosfera. Ecologia a livello globale.

Fattori ecologici

• Condizioni: caratteristiche fisiche/chimiche del mezzo in cui vive organismo,  influenzano velocità processi funzionali, ma non sono consumati (es T, pH, umidità relativa).
• Risorse: fattori consumati, possono diventare limitanti se scarsi, soggetti a  competizione tra stessa/differenti specie (es acqua, luce, cibo).

FE distinti anche in naturali e antropogenici a seconda dell’intervento uomo.

Adattamenti organismi vegetali

Caratteristiche abiotiche ambiente (influenza diretta su processi vegetali) interdipendenti compromessi (trade-offs) nella capacità di adattarsi a limitazioni  imposte da fattori ambientali multipli ciò ostacola capacità adattamento ad  ambienti con diverso set di condizioni/risorse.

Risorse essenziali per sopravvivenza piante (immobili): luce e CO2 parte aerea  (foglie, fusto), acqua e nutrienti parte sotterranea (radici). 

Fotosintesi: utilizzo energia luminosa per trasformare acqua e CO2 in molecole +2C O H O→ C H O+ H O+O organiche (redox, eq generale) piante sono  2 2 2 2 2 organismi fotoautotrofi.

• Fase luminosa: energia luminosa fissata in molecole ad alta energia (ATP,  NADH), ossigeno come scarto. Luce visibile catturata da pigmenti su membrana dei tilacoidi (cloroplasti) Clorofilla a: assorbe blu e rosso, riflette il verde;  pigmenti accessori (clorofilla b, carotenoidi) assorbono altre bande spettro. Pigmenti antenna catturano energia trasferendola ai centri di reazione, molecole clorofilla a.
• Ciclo di Calvin (C3): non dipendente dalla luce, CO2 convertita in zuccheri  sfruttando energia chimica di ATP e NADH, avviene in cellule mesofillo fogliare. Coinvolto enzima Rubisco (ribulosio bifosfato carbossilasi/ossigenasi)  O2 invece problema: a bassa concentr CO2 ha attività ossigenasica (si lega anche a CO2), inibisce fotosintesi.

Zuccheri formati: formano amido (riserva) e cellulosa (sostegno), altre molecole (grazie a nutrienti assimilati), ma buona parte consumata da respirazione cellulare  differenza fotosintesi totale (CO2 fissata nell’unità di tempo) e netta (F totale – respirazione). Punto compensazione luce: F netta = 0 (F tot = respirazione).

Fotosintesi e respirazione rispondono a variazioni T limite inferiore (Tmin), optimum  termico = temperatura ottimale (Topt), limite superiore (inattivazione enzimi, Tmax). Ogni aumento 10 °C comporta raddoppio tasso fotosintetico, fino a valore soglia (specie-specifico). Acclimatazione: cambiamenti reversibili fenotipo a mutate condizioni ambientali (variaz termiche stagionali).

Scambi acqua e gas a livello fogliare pianta apre stomi per permettere diffusione  gas (entra CO2, esce O2) e traspirazione (diffusione vapore acqueo verso l’esterno). Tasso traspirazione dipende da umidità relativa = qtà vapore acqueo aria a diretto contatto con la foglia.

Movimento acqua (suolo-pianta-atmosfera) regolato da gradiente concentrazione  potenziale idrico. Se esso va sotto certo livello (dipende da specie) deve limitare perdita acqua chiusura stomi e arresto fotosintesi. Bilancio costi-benefici tra  fotosintesi e respirazione ha guidato evoluzione piante terrestri e influenza direttamente produttività dei vari ecosistemi.

Piante assorbono, riflettono ed emettono radiazioni. Rn: radiazione netta assorbita dalla pianta, meno del 5% utilizzato nei processi metabolici. Essa aumenta T foglia rispetto T ambientale quindi pianta deve dissipare il calore radiazione ad onda  lunga, calore latente evaporazione, convezione.

Perdita convettiva: trasferimento netto calore da foglia a strato limite = strato d’aria direttamente adiacente a lamina fogliare. Moti turbolenti aria facilitano rimescolamento strato limite (ripristino gradiente diffusione) vantaggio con foglie  lobate e composte.

Bilancio del carbonio

Bilancio del carbonio positivo ai fini di sopravvivenza, crescita, riproduzione: 

• Assunzione totale C per unità di tempo = tasso medio assunzione C  (fotosintesi) per unità di area * superficie fogliare totale pianta.
• Perdita totale C per unità tempo = tasso respiratorio medio per unità di  biomassa * biomassa totale pianta (foglie + fusto + radici).
• Guadagno netto C (assunzione – perdita) varia in base a modalità   allocazione (maggiore se si ha maggior investimento nelle foglie, minore se si investe più in radici), disponibilità risorse essenziali e tipo ambiente (es diverso investimento nei vari tessuti in base ad altitudine).

Adattamenti a diverse intensità luminose

Adattamenti a diverse intensità luminose differenze tra specie diverse (variazione  genotipo), piante della stessa specie e foglie della stessa pianta (plasticità fenotipica):

• Bassa intensità luminosa piante Sciafile (amanti dell’ombra) o foglie in   ombra (parte interna chioma): punto compensazione luce e tasso massimo fotosintesi (punto saturazione) bassi; aumento irradianza seguito da iniziale rapido aumento tasso fotosintetico (elevato α), arrivando a livello produzione max; ulteriore aumento provoca calo tasso fotosintetico Fotoinibizione:  effetti dannosi su molecole fotosintetiche (es fotosistema II).

Produzione più clorofilla, necessari più pigmenti per catturare max luce possibile; meno Rubisco riduzione costi energetici; minore tasso fotosintetico  minore tasso respiratorio fogliare (bassa conduttanza stomi). 

Guadagno C impiegato maggiormente per produrre foglie (bilancio C positivo)  alta Superficie Fogliare Specifica (SFS, superficie/peso) più grandi e sottili, disposte orizzontalmente (⊥ luce).

• Elevata intensità luminosa Eliofile (amanti del sole) o foglie esposte al sole   (esterno chioma): bassi valori α (aumento t fotosintesi iniziale più lento), alti punti compensazione e saturazione e tasso respiratorio, no fotoinibizione.

Basso rapporto clorofilla/Rubisco, alto clorofilla a/b.

Maggiore investimento in radici; bassa SFS, foglie piccole e spesse, disposte verticalmente.

Bilancio costi-benefici: sciafile possono sopravvivere anche con più luce limitando tasso fotosintesi/crescita, mentre eliofile non possono sopravvivere all’ombra (serve più energia).

Adattamenti all’umidità del suolo

Adattamenti a livello umidità suolo (piante terrestri) richiesta acqua legata a T  (aumento T aumento traspirazione). Suolo arido: parziale chiusura stomi, limita  perdita acqua ma diminuisce tasso fotosintetico (minor diffusione CO2)  compromesso assunzione CO2 – bilancio idrico.

• Piante C3 (primo composto stabile ha 3 atomi C): più diffuse, max efficienza  con luce e T moderate, elevato consumo acqua, rischio attività ossigenasica Rubisco.
• Piante C4 (primo composto stabile 4 C): adattate a luce e T elevate (regioni  tropicali, ambienti aridi e salati), più efficienti in utilizzo acqua e assimilaz CO2 PEP carbossilasi: elevata affinità con CO2, non reagisce con O2, agisce in  cellule mesofillo ciclo Calvin in cellule guaina del fascio. 
• Piante CAM (Crassulacean Acid Metabolism): piante deserti caldi, limitano al  max perdita acqua aprendo stomi solo di notte fissazione CO2 poco  efficiente, fotosintesi e crescita procedono lentamente.

Altri adatt: più investimento su radici ( aumento assunzione acqua per utà area fogliare), foglie piccole, spesse, stomi piccoli, rivestite di cere-resine.

Adattamenti alla disponibilità di nutrienti

Adattamenti a disponibilità nutrienti (minerali necessari a processi metabolici, sintesi nuovi tessuti elementi di base (C, H, O); macronutrienti, necessari in grandi  qtà (es N, P, K); micronutrienti, qtà minime (es Fe, Cl, Mn).

Azoto: importante per fotosintesi (necessario > 50% contenuto nella foglia), costituisce Rubisco e clorofilla, assimilato sotto forma di NH4+, NO3-, NO2-. Non possono utilizzare direttamente N2 (azoto atmosferico) batteri azotofissatori (noduli  radicali leguminose). Assunzione N (radici) aumenta con sua concentrazione, fino a punto saturazione. Carenza N: limita tasso max fotosintesi e crescita, aumento longevità foglie (costa di più produrne nuove) e produz radici.

Adattamenti organismi animali

Vantaggio animali: movimento; svantaggio: cibo diventa risorsa molto più limitante.

Processi chiave: assunzione/digestione cibo, assorbimento O2, mantenimento T corporea e bilancio idrico e salino, adattamento a variaz sistematiche luce e T (cicli nictemerali = giorno/notte e stagionali).

Regolazione condizioni interne omeostasi: mantenimento ambiente interno  relativamente costante, regolata da meccanismi di feedback per regolare attività sopra e sotto valore riferimento (set point); esso non fissato in modo preciso ma organismi hanno livello tolleranza limitato plateau omeostatico; controllo  omeostatico fisiologico e comportamentale. Eco-fisiologia: studio processi omeostatici, analisi limiti condizioni abiotiche che definiscono successo e adattamento organismi.

Dimensioni corporee: molto variabili (μg – tonnellate), vincolo fondamentale adattamento. Effetto scala: variazione prevedibile caratteristiche morfo/fisiologiche in funzione dim corporea per oggetti isomerici (crescita uguale nelle 3 dim, es cubo)  /32 3 2 superficie S e volume V legati a lunghezza L: (2/3 esponente∝ ∝ ⇒ ∝VS L ,V L S di scala isometrica). Corpi piccoli: rapporto S/V > rispetto corpi più grandi di forma simile.

Aumento dim corporee cambiamenti strutturali adattamenti per mantenere   rapporto S/V.

Es assimilazione O2: diffonde rapidam attraverso superficie organismo; aumentando dim corporee essa diminuisce rispetto V parti interne bisognose di O2 cambiamento  forma, forme ripiegate e appiattite per aumento S a parità V; trasporto O2 nel corpo, sviluppo apparato respiratorio e sistema circolatorio (trachee, branchie, polmoni).

Nutrimento

Nutrimento: animali ricavano energia e nutrienti da consumo composti organici (eterotrofi). Divisi in:

• Erbivori: si nutrono di organismi/tessuti vegetali.  Ambiente terrestre: brucatori (foglie e germogli in alberi e arbusti, o bloccano crescita pianta), pascolatori (piante erbacee), frugivori, granivori, nettarivori, perforatori/succhiatori; Acquatico: brucatori/masticatori, filtratori, raschiatori.

Piante hanno poche proteine (azoto), rapporto C/N = 50:1, animali 10:1  necessaria notevole quantità e buona qualità nutrimento (ricco in azoto, germogli, giovani foglie, gemme). Carboidrati complessi (cellulosa, lignina) difficili da demolire tratto digerente molto lungo, solitam si cibano solo della  parte verde della pianta. Ruminanti (pascolatori/brucatori) non hanno enzimi per digerire cellulosa: dipendono da batteri/protozoi che vivono nei loro tratti digerenti come simbionti (fermentazione).

• Carnivori: si cibano di altri animali; tratto digerente semplice e più corto (no  problema digestione cellulosa); cibo ricco di energia (lipidi, proteine) facile da assimilare problema principale è trovarne qtà sufficiente. 
• Onnivori: cibo vegetale e animale; abitudini alimentari cambiano durante stadi  ciclo vitale, in base a dimensione/tasso crescita e stagione.
• Detritivori e decompositori (vedi sotto). 

Esigenze nutrizionali: minerali, amminoacidi animali sintetizzano circa metà dei  20 necessari per sintesi proteica, rimanenti detti amminoacidi essenziali, assunti direttam con la dieta.

Termoregolazione

Termoregolazione: a diff delle piante animali possono produrre molto calore attraverso metabolismo e possono ricercare o evitare calore o freddo (mobilità). Calore proviene da radiaz solare (diretta o riflessa); scambiato attraverso superfici, tra due solidi (conduzione) o tra solido e gas (convezione). T ha maggiore influenza su tasso metabolico (consumo O2, test con respirometro), relazione tra i due diversa a seconda tipo di animali:

• Ectotermi e pecilotermi: calore acquisito dall’ambiente; T corporea  variabile in base a scambi termici con l’esterno (animali a sangue freddo).
• Endotermi e omeotermi: produzione interna calore (metabolismo); T  corporea mantenuta costante, indipendente dall’esterno (sangue caldo).
• Eterotermi: si comportano da omeo o pecilotermi se attivi produzione   calore, se inattivi (pipistrelli di giorno, colibrì notte) T corporea vicina a T ambiente.

Ectotermi (pecilotermi): alta conduttività termica (scambio calore corpo-ambiente) facilità perdita calore; tasso metabolico aumenta con T; funzioni vitali solo in range  ottimali T.

Consumo O2 (Q) calcolo variazione con aumento 10 °C, Q10 = K2/K1 (costanti  velocità reazione enzimatica dopo e prima aumento T), misura sensibilità processo fisiologico in seguito ad aumento, di norma compreso tra 2-3. Tempo sviluppo: espresso in gradi-giorno, sotto valore soglia non si ha riproduzione.

Presentano T ottimale (macchina metabolica funziona), T max/min letale e di sopravvivenza, T di quiescenza (letargo). Alte T: denaturazione proteine (45-50°C), inattivazione enzimi, alterazione membrane cellulari. Basse T: diversa tolleranza, alcune specie sopravvivono sotto -1°C (< 0 per ioni disciolti) sostanze  abbassano freezing point (aumentano osmolarità sangue), es glicerolo (insetti, anfibi), glicoproteine antifreezing (interagiscono con cristalli ghiaccio iniziali impedendo ulteriore cristallizzazione, es pesci antartici) T letale inferiore rispetto endodermi. 

Acclimatazione: adattamento metabolismo a nuovo regime termico, differenze tra specie e plasticità fenotipica.

Ectotermi terrestri (anfibi/rettili): mantengono T giornaliera ± costante grazie strategie comportamentali, sfruttando diversi microclimi orientazione corpo,  entrare in acqua, trovare un rifugio (T costante), aprire bocca o tirare fuori lingua per eliminare calore eccessivo per evaporazione (thermal gaping), cambio colore, sollevarsi sulle zampe per far passare aria tra corpo-substrato. Es lucertola: sta nella tana di notte, spola tra ombra-sole di giorno (andamento T ondulatorio). T operativa: intervallo in cui svolgono attività quotidiane 4-5°C rettili, 10°C anfibi. 

Dimensioni corporee: scambi attraverso superficie ma va scaldata intera massa corporea, S/V diminuisce all’aumentare dim ridotte dimensioni, ectotermi grandi  solo in regioni tropicali/subtropicali (alligatore).

Molti vanno in letargo (ibernazione) durante stagione fredda: cambiamenti fisiologici marcati diminuz zuccheri, variaz emoglobina, O2, CO2 nel sangue, aumento  glicogeno nel fegato, imbrunimento pelle, variaz tono muscolare.

Vantaggi ectotermi: bassi costi metabolici e fabbisogno energetico, buona parte energia destinata a produzione biomassa, limitano metabolismo quando cibo/acqua scarsi, adatti ad ambienti estremi. Svantaggi: dipendenza da T ambiente, periodi