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LEZIONI DI ECOLOGIA GENERALE
La biologia dell’ambiente dovrebbe essere un tema di per sé affascinante, visto il gran parlare negli ultimi decenni, anche quando non offre immediatamente applicazioni pratiche: fanno parte dell’indole umana la curiosità e l’interesse per la vita, i comportamenti e la varietà degli esseri che ci circondano quotidianamente, senza andare in ambienti esotici. Molti di noi si mostrano interessati ai temi dell’ecologia, ma poi si fanno prendere dal corso degli eventi e dimenticano di mettere in pratica ciò che la sensibilità dovrebe spingere a fare, cioè avere cura dell’ambiente in cui si vive. Ci sono anche, per fortuna dell’umanità, interessi che per alcuni diventano passatempi e vocazioni che nel tempo si trasformano in fonti di soddisfazioni estetiche e intellettuali per tutta la vita, traducendo l’insegnamento e l’educazione ambientale, ricevuti durante l’età scolastica, in buone pratiche di comportamento sociale anche in età adulta. Di solito i corsi scolastici di biologia sono incredibilmente noiosi tali da creare una certa antipatia verso la disciplina. Spero invece che, grazie alla vostra indispensabile collaborazione, il nostro corso sia per voi interessante e anche divertente. Buon lavoro!
Le prospettive dell’attuale modello di sviluppo e la minaccia del progressivo incremento demografico della nostra specie hanno posto i problemi ambientali in primo piano. Ritengo che sia indispensabile che ogni individuo assennato sia messo a conoscenza dei processi e delle condizioni generali dell’ambiente che rendono possibile la sopravvivenza non solo della nostra specie, ma anche quella di migliaia di altri organismi. In una convivenza civile, regolata da comportamenti democratici, non è sufficiente la presenza di un piccolo gruppo preparato che comprende quello che accade alla natura, ma occorre che tutti i cittadini siano preparati affinché la conoscenza, la ricerca e l’azione siano integrate per far maturare stili di vita rispettosi di tutto l’ambiente. ( Squilibrio nell'uso delle risorse: acqua, minerali, legname. ..) La preparazione dei cittadini verso i temi dell’ambiente la si può considerare una necessità vitale, per il semplice motivo che la presenza di homo sapiens, e della sua formidabile capacità culturale di produrre frequenti e repentini cambiamenti negli ambienti in cui interviene, sta modificando la biosfera fino ad un punto di non ritorno. Dopo questo preambolo possiamo iniziare a fissare alcuni punti di riferimento della disciplina, definendone i termini fondamentali. Per procedere con tranquillità abbiamo bisogno di stabilire alcuni concetti specifici e, per chiarire alcune relazioni tra la biologia ambientale e altre discipline, per nostra fortuna, è richiesto solo un bagaglio minimo di termini tecnici. Ecologia – deriva dalla radice greca òikos, che significa casa (posto in cui vivere) e lògos , che significa discorso, letteralmente è lo studio delle case; in senso generale è lo studio degli ambienti. Si occupa della biologia di gruppi di organismi e dei processi funzionali nelle terre, negli oceani, nei corsi d’acqua. Il termine è stato utilizzato la 1ª volta dal biologo tedesco Ernest Haeckel nel 1866 nella sua opera “ Morfologia generale degli organismi ”. È una scienza interdisciplinare e di sintesi per trarre leggi e principi generali sul funzionamento dell’ambiente; si occupa dei fondamenti comuni a tutte le forme di vita; studia i rapporti degli organismi fra loro e con l’ambiente in cui vivono. È sottointeso che la specie homo sapiens è una parte della natura. Ambiente – rappresenta un concetto fondamentale per l’ecologia ed è definito come l’insieme delle condizioni fisiche (luce, pressione, temperatura, struttura del terreno, ecc…), chimiche (presenza o meno di sostanze organiche ed inorganiche, pH,..), biologiche (presenza di determinate specie di organismi) dove è possibile la vita di un organismo animale o vegetale. Le proprietà della vita. Si ha un’idea abbastanza intuitiva di ciò che significa essere vivo: per esempio affermiamo che un gatto è vivo, mentre una pietra non lo è. Eppure risulta molto difficile definire la vita, perché gli esseri viventi si presentano con forme e strutture molto diversificate fra loro e qualche volta non è facile separare nettamente alcuni organismi (virus) dal mondo inanimato. Per fortuna nostra i biologici, a seguito di studi ed esperimenti, hanno individuato alcune proprietà comuni a tutti gli esseri viventi per distinguerli con certezza dalla materia non vivente: I. Strutture complesse e organizzate che operano tra loro in stretta collaborazione II. In condizioni ambientali in continuo cambiamento le strutture e le funzioni rimangono costanti (omeostasi) III. Scambi con l’ambiente di energia e materiali che vengono trasformati secondo le necessità
IV. Sviluppo ed accrescimento V. Reazione agli stimoli ambientali VI. Riproduzione VII. Capacità di cambiare nel tempo (evoluzione). Altre proprietà prese in considerazione:
- programma scritto nel DNA: specifica gli incredienti dell'organismo e le loro interazioni
- improvvisazione: capacità di modificare il programma e adattarsi alle variazioni ambientali (mutazioni e selezione naturale)
- compartimentazione: concentrare funzioni vitali e ingredienti in aree delimitate da membrane
- flusso di energia: metabolismo
- rigenerazione: manutenzione dll'oranismo e riproduzione
- adattabilità: rispsota comportamentale agli stimoli ambientali
- isolamento: processi metabolici si svolgono in contemporanea senza intereferenza
Un essere vivente per essere considerato tale deve possedere contemporaneamente queste proprietà. Ora iniziamo a delimitare il campo di studio dell’ecologia, esaminando il concetto di livelli di organizzazione presenti nel mondo vivente. Rispetto a qualsiasi oggetto inanimato gli esseri viventi sono altamente complessi e organizzati. Nel mondo naturale è possibile individuare lo spettro biologico della progressiva complessità di organizzazione secondo una struttura a piramide dal più semplice, l’ atomo al più complesso, la biosfera : a. Atomo - la più piccola e caratteristica unità di un elemento che ne conservi le proprietà chimiche b. Molecole – la più piccola unità chimica di un elemento o di un composto capace di esistenza indipendente. Costituite dall’unione chimica di uno o più elementi (1O + 2H = H2O). Macromolecole biologiche sono un prodotto dell’attività degli esseri viventi; le molecole inorganiche appartengono al mondo inanimato, ma presenti anche negli organismi viventi (acqua, sali minerali anidride carbonica..) c. Cellula – I livelli di organizzazione della vita iniziano con la cellula che rappresenta la più piccola unità funzionale di un organismo vivente. La cellula risulta costituita fondamentalmente da tre componenti: geni che regolano e controllano le attività vitali della cellula; organuli che svolgono le diverse funzioni necessarie alla cellula per vivere e una sottile membrana che separa la cellula dall’ambiente circostante. Alcuni organismi sono formati da una sola cellula (microrganismi) e detti unicellulari. Altri organismi invece sono costituiti da molte cellule (organismi più grandi) e detti pluricellulari. d. Negli organismi pluricellulari le cellule simili sono organizzate in un complesso strutturale di maggiori dimensioni detto tessuto (nervoso, muscolare, connettivo..). e. Tessuti diversi possono unirsi in un’unità strutturale superiore funzionale, che prende il nome di organo (foglia, organo riproduttore, stomaco, occhio, cervello...) f. Un gruppo di organi preposti ad una specifica funzione formano un sistema organico , o apparato. Per esempio il cervello, midollo spinale, organi di senso e nervi compongono il sistema nervoso. Altri apparati sono: respiratorio, circolatorio, radicale. g. Infine l’azione coordinata di tutti i sistemi organici si traduce in un singolo essere vivente, cioè l’ organismo. h. Un insieme di organismi della stessa specie, cioè che hanno simili caratteristiche dal punto di vista anatomico e fisiologico, che vivono in una stessa area e sono in grado di accoppiarsi, generando figli fertili, formano una popolazione. Il termine indicava originariamente un gruppo di persone, ma in ecologia è generalizzato fino a comprendere gruppi di individui appartenenti a qualsiasi specie di organismi. L’ecologia inizia il suo campo d’intervento a partire da questo livello di organizzazione fino alla biosfera. i. Popolazioni diverse possono vivere insieme in una determinata area in una comunità. Si usa anche il termine di comunità biotica o biocenosi ( bios = vita e koinos = unione, comunanza), cioè l’associazione biologica di organismi animali e vegetali di specie diverse che coabitano in una stessa unità di ambiente ( biotopo = luogo dove si sviluppa la vita).
si opera una deforestazione per far posto all’agricoltura, questa non dura che pochissimi anni.
- Savana è un bioma in cui predominano piante erbacee e alberi sparsi. Il termine deriva dallo spagnolo sabana = prato. Le savane coprono arre molto estese vicino ai tropici in Sud America, in Africa centrale e meridionale ed in alcune parti dell’Australia. È caratterizzata da clima caldo con lunghi periodi di siccità che si alternano a stagioni umide. La struttura biotica della savana è molto più semplice rispetto alle foreste equatoriali. La vegetazione erbacea è rappresentata soprattutto da graminacee, quella arborea da specie adattate alle prolungate siccità come il baobab. La savana ospita grandi erbivori e molti loro predatori: in quella africana vivono giraffe, zebre, antilopi, babbuini, bufali, struzzi, rinoceronti ed elefanti e i loro predatori (leoni, iene, ghepardi); in quella australiana invece ci sono i canguri e gli emù (uccello con brevi ali incapace di volare, ma molto veloce per le zampe molto lunghe). Nelle savane vivono anche molti animali che scavano cunicoli, tra cui i topi, talpe, tartarughe, serpenti, scoiattoli vermi e molti artropodi.
- Deserto aree desertiche o semidesertiche sono presenti in entrambi gli emisferi (lat. tra 30° e i 40°). I deserti sono caratterizzati da clima arido, perché l’aria umida che risale dall’equatore verso i poli scarica il suo contenuto di acqua (con abbondanti precipitazioni) alle latitudini più basse, quindi in prossimità dei 30-40° di lat. giunge al suolo asciutta e calda. Nei deserti durante il giorno la temperatura può superare i 50°C, mentre durante la notte scende abbondantemente sotto lo zero (forti escursioni termiche). Ci sono deserti caldi come quello del Sahara e deserti freddi come quello del Gobi (minimi di –10°C), in Mongolia. Le precipitazioni sono sporadiche e inferiori ai 300 mm/anno. I più aridi sono quelli dell’Australia centrale e del Sahara africano, dove le precipitazioni non superano i 20mm/anno. A differenza di altri biomi i deserti stanno estendendosi con un processo chiamato desertificazione, cioè la trasformazione di altri biomi, soprattutto la savana, in deserto (in Africa centrale), a causa dell’incremento demografico, del disboscamento e dell’eccessivo sfruttamento del suolo per l’agricoltura e il pascolo. In questo ecosistema i cicli di crescita e di riproduzione sono strettamente legati alle precipitazioni. La maggior parte delle piante presenti è annuale e si sviluppa dopo le rare e brevi piogge, mentre le piante perenni hanno sviluppato efficienti meccanismi e strutture di adattamento, per ridurre la perdita di acqua per traspirazione e conservarla più a lungo nei tessuti (cactus). Nelle regioni molto aride c’è assenza totale di vegetazione. Nelle regioni meno aride predominano pochi arbusti sparsi, accompagnati da cactus: queste piante producono grandi quantità di semi che restano in quiescenza fino a che non si verifica una pioggia abbondante per stimolarne la germinazione. Anche gli animali presenti nei deserti hanno prodotto nel corso della evoluzione meccanismi e strutture di adattamento alla prolungata siccità e alle temperature estreme: molti di essi vivono in cunicoli sotterranei e sono attivi solo durante la notte; molti di loro si cibano di semi (formiche, uccelli e roditori), mentre le lucertole, i serpenti e i falchi si nutrono di animali che mangiano i semi.
- Macchia mediterranea tipo di ambiente relativamente poco diffuso sul pianeta, caratterizzato da una densa vegetazione costituita da arbusti spinosi con foglie coriacee e sempreverdi. Il clima è influenzato da inverni miti e piovosi seguiti da estati lunghe, calde e secche. La macchia è tipica delle regioni che si affacciano sul mare Mediterraneo, si trova anche sulla costa del Cile (chiamata matorral ), in Sud Africa, nell’Australia sud occidentale e nelle coste meridionali della California ( chaparral ). Oltre agli arbusti perenni si trovano piante annuali, soprattutto nei mesi invernali e primaverili, che sono i più piovosi. La vegetazione è adattata per resistere a incendi frequenti e periodici: molti arbusti hanno radici in grado di sopravvivere agli incendi e producono semi che germinano solo dopo essere esposti a temperature elevate (i semi germogliano con grande vigore sulle ceneri). Le specie arboree più diffuse sono il leccio e la quercia da sughero, il pino d’Aleppo, il pino marittimo e il pino domestico. Gli arbusti tipici sono il carrubo, il terebinto, il bosso, il mirto, il lentisco ed il
corbezzolo. Il clima mediterraneo non è l’ideale per lo sviluppo della fauna, a causa del lungo periodo secco durante la stagione calda. Gli animali sono in prevalenza erbivori (cervi, caprioli, daino), vi sono poi scoiattoli, volpi, cinghiali e l’istrice tipico rappresentante della fauna mediterranea. Vi sono anche molti uccelli che si cibano di frutti, roditori che si nutrono di semi e lucertole e serpenti
- Praterie delle zone temperate presentano alcune caratteristiche delle savane, sono però più povere di alberi e si trovano in regioni con temperature invernali relativamente fredde. Le praterie sono costituite dalla prevalenza di piante erbacee soprattutto graminacee, e si sviluppano in aree con precipitazioni scarse in regioni interne dei continenti, non raggiunte dai venti oceanici ricchi di umidità. In estate le temperature sono elevate e scarse le precipitazioni. Le praterie interessano le zone temperate note come pampas in Argentina e Uruguay, steppe in Asia e praterie negli USA. Gran parte delle praterie si conservano inalterate a causa della siccità stagionale, agli incendi e al pascolo di grossi erbivori. Questi fattori non hanno permesso agli arbusti e ai boschi di invaderle. Lo sviluppo di grandi distese di praterie ha reso possibile la proliferazione di grandi mammiferi come i bisonti., l’antilopacarpa del Nord America, le gazzelle e le zebre dell’Africa, i cavalli selvatici e le pecore delle steppe asiatiche. I predatori sono i lupi, le tigri, i leoni e l’uomo.
- Foreste decidue temperate sono presenti con grandi estensione solo nell’emisfero Nord. Crescono in una zona compresa tra 35° e 50° di latitudine, dove c’è umidità sufficiente allo sviluppo di alberi d’alto fusto. Estese superfici si trovano in Europa centrale, alcune regioni dell’Asia orientale, degli Stati Uniti orientale e dell’Australia orientale. Gli alberi di queste foreste hanno foglie larghe che cadono dai rami durante la stagione fredda. La vegetazione arborea è caratterizzata dalle seguenti specie: querce, noci, faggi, betulle, aceri, tigli, olmi, frassini e carpini. Il clima è influenzato da temperature che possono essere anche molto rigide in inverno e calde in estate (da – 30°C a +30°C), da precipitazioni relativamente abbondanti e, di solito, equamente distribuite durante l’anno. La stagione di crescita dura 5-6 mesi con un diverso ritmo di sviluppo nel corso dell’anno: nel tardo autunno le foglie cadono e gli alberi diventano quiescenti. La caduta delle foglie serve a prevenire la disidratazione in inverno, quando gli alberi non possono assorbire acqua dal terreno gelato. Nella primavera successiva con condizioni climatiche più favorevoli avviene la formazione di nuove foglie pronte per la fotosintesi. Le foreste decidue sono più aperte che quelle pluviali e gli alberi non sono tanto alti e diversificati, ma la diversità biologica è anche qui piuttosto alta, comportando abbondanza di cibo e varietà di habitat che permettono la vita di numerose specie di animali. Moltissimi insetti e ragni (detritivori) vivono sul terreno sulla lettiera delle foglie e altri resti organici, accelerando la decomposizione operata da una grande varietà di microrganismi (decompositori), oppure si procurano il cibo sulle foglie o sui rami degli alberi e dei cespugli. Il suolo della foresta è molto ricco di sostanza organica in decomposizione e humus, ciò consente di avere una fauna ricca e diversificata. Vivono in questo bioma cervi, diverse specie di uccelli, piccoli mammiferi come il riccio, il tasso, il ghiro, il gatto selvatico (molto raro) e, laddove non siano stati cacciati dall’uomo, è possibile incontrare ancora linci, lupi, volpi, orsi bruni e puma. Un tempo le foreste decidue erano i biomi più estesi sulla Terra: vaste estensioni di queste foreste sono state distrutte dal disboscamento per far spazio allo sviluppo agricolo o urbano.
- Foreste di conifere ( taiga ) sono biomi con alberi che producono coni (o pigne) come l’abete e diverse varietà di pino, spesso presenti in poche specie dominanti. Prima dello sviluppo agricolo e urbano in Europa nordorientale erano presenti grandi distese di foreste caratterizzate da una sola specie come il pino silvestre. La foresta di conifere più rappresentativa è la taiga (foresta di conifere dell’emisfero boreale), che si estende lungo un’ampia fascia geografica che va dal Nord America all’Eurasia, raggiungendo l’estremità meridionale della tundra artica (vedremo subito dopo). Il termine “taiga” deriva da un vocabolo russo che significa montagna , ciò significa che è presente anche
calore che si disperde nello spazio. Rappresenta un ecosistema in continua modificazione naturale nei tempi lunghi e, ultimamente, cambiamenti per cause antropiche nei tempi brevi. Il tipo di organizzazione della vita per livelli crescenti di complessità è caratterizzato dalla seguente caratteristica: via via che si passa da un livello a quello superiore subentrano nuove proprietà che non è possibile prevedere osservando una per una le singole componenti del livello più basso. Le nuove proprietà del sistema non sono il risultato della semplice somma dei componenti ma hanno origine dalla collaborazione e stretta interazione di tutte le componenti a quel dato livello.
La biosfera attuale è il risultato di una lunga interazione tra materia vivente e materia inorganica che ha avuto inizio circa 3,5 miliardi di anni fa. La sua struttura, il suo funzionamento e il suo carattere di entità funzionale possono essere compresi solo alla luce del suo processo di genesi. Non sappiamo con certezza come si siano formate le diverse forme di vita sulla Terra, ma sicuramente possiamo affermare che le prime manifestazioni di vita furono legate all’acquisizione, tramite molecole complesse, di una struttura che consentisse loro, da una parte di prelevare ed incanalare l’ energia , secondo un certo modello (capace cioè di costituire un centro di attività metabolica), e dall’altra di conservare, in forma trasmissibile, delle informazioni sul modo di costruire tale struttura funzionale a partire dagli elementi forniti dall’ambiente. Gli esseri viventi grazie al loro potere di diversificazione strutturale hanno potuto adattarsi, nel corso della storia della vita (filogenesi) alle condizioni sempre diverse imposte da ambienti in continuo cambiamento. La biosfera è molto varia e possiede dei limiti. Se comprendiamo bene la sua struttura e le dinamiche funzionali possiamo in qualche maniera intervenire per affrontare i problemi ambientali che la stanno affliggendo. Innanzitutto è bene conoscere quali sono i fattori fisici e chimici che influiscono sullo sviluppo degli organismi viventi. Tutti gli individui viventi sono obbligati ad adattarsi al contorno che li circonda per sopravvivere e riprodursi. La selezione naturale fornisce agli organismi una serie di stratagemmi per utilizzare le risorse disponibili. Tutte le manifestazioni della vita implicano variazioni di energia: le comunità vegetali sono collegate al loro ambiente tramite i flussi di energia e i maggiori input ambientali che guidano la biosfera includono la radiazione solare, il fotoperiodismo, la temperatura, l’acqua, l’ossigeno, il suolo e il vento.
- Energia solare alimenta tutti gli ecosistemi, tranne alcuni relativi a profondità eccessiva dove la luce non riesce a penetrare. La produzione di sostanza organica dipende, in gran parte dall’efficienza di trasformazione, nel processo fotosintetico, dell’energia solare in energia chimica. Negli ambienti acquatici, fin dove la luce riesce a penetrare, le radiazioni hanno un effetto immediato sulla crescita e sulla distribuzione delle piante e delle alghe. La maggior parte dei processi fotosintetici avviene vicino alla superficie dell’acqua. Negli ambienti terrestri la luce non è un fattore limitante per la crescita delle piante, ma nelle foreste molto dense, l’ombra degli alberi determina una forte competizione per la luce tra gli organismi che vivono all’altezza del suolo.
- Fotoperiodismo In base ad alcuni esperimenti su colture di soia, eseguendo le semine in successione, ad intervalli di due settimane, dall’inizio di maggio alla fine di giugno, si è potuto osservare che tutte le piante, indipendentemente dalla data di semina, fiorivano solo alla fine di settembre. Variando le condizioni di crescita, ossia temperatura, umidità del terreno, apporto di elementi nutritivi e di luce, il fattore che risultava critico era la durata del periodo luminoso del giorno: le piante non fiorivano se la lunghezza del dì non si accorciava di un dato numero di ore. La soia è una specie brevidiurna (giorno corto). Questo fenomeno è definito fotoperiodismo ed è determinato da una reazione biologica al cambiamento del rapporto luce/ oscurità nelle 24 ore di durata del giorno. Sulla base di risposta al fotoperiodo si spiega il perché certe specie non riescono a vivere in determinati ambienti. Per esempio piante che necessitano di periodi di dì pari a 14 ore e ½ per fiorire, come l’ambrosia (pianta aromatica simile alla ruta), non troveranno condizioni ecologiche favorevoli a latitudini in cui il periodo luminoso si accorcia solo nella tarda estate, quando i semi non avrebbero più il tempo di svilupparsi prima del sopraggiungere dell’inverno.
- La temperatura è un importante fattore abiotico per il suo effetto sul metabolismo degli esseri viventi. Ci sono pochissimi organismi capaci di conservare una sufficiente attività metabolica a temperature prossime allo zero. Temperature superiori ai 50°C invece sono
proibitive per quasi tutti gli organismi, perché in queste condizioni molti enzimi vengono alterati. Ci sono in natura alcuni speciali adattamenti che permettono ad alcuni organismi di vivere a temperature che superano i limiti suddetti: alcune specie di rane e tartarughe che vivono nelle regioni fredde si possono congelare durante i mesi invernali e comunque sopravvivere; alcuni tipi di batteri, che vivono nelle bocche idrotermali negli abissi degli oceani, da dove sgorga nuovo materiale lavico caldissimo, possiedono enzimi che funzionano in maniera ottimale anche ad elevate temperature. I mammiferi e gli uccelli (animali a sangue freddo) sono in grado di conservare il proprio corpo a temperature notevolmente diverse rispetto a quelle ambientali, rimanendo attivi in un intervallo di temperature esterne piuttosto ampio. Comunque le prestazioni migliori sono a determinate temperature. A questo proposito è opportuno parlare dell’ omeostasi (dal greco “restare lo stesso”), la capacità di autoregolazione degli esseri viventi, cioè mantenere un equilibrio interno stabile, nonostante il variare delle condizioni esterne. Per mantenere in ordine ed in efficienza insiemi di elementi complessi come le cellule di un organismo, occorre spendere energia. L’equilibrio delle condizioni interne è fondamentale per salvaguardare il buon funzionamento dell’organismo e la sua stessa vita. Uno dei meccanismi omeostatici è rappresentato dalla sudorazione: quando fa caldo, automaticamente si inizia a sudare. Il sudore emesso ha la funzione di abbassare la temperatura del corpo, e man mano che evapora sottrae calore al corpo, la cui temperatura tende ad abbassarsi.
- L’acqua è il fattore abiotico indispensabile per tutte le forme di vita. A parte vi verrà data una piccola dispensa che ne spiega tutte le proprietà. Gli organismi acquatici hanno apparentemente una disponibilità infinita d’acqua, ma hanno anche una concentrazione di soluti diversa da quella del mezzo in cui vivono. Pertanto devono opporre resistenza affinché nel proprio ne entri una quantità giusta e nulla di più. Devono affrontare il problema del bilancio idrico. Il problema per gli orgasmi terrestri è invece quello di evitare la disidratazione:molte specie terrestre hanno il corpo rivestito da tessuti impermeabili che riducono le perdite d’acqua. Inoltre molte specie hanno anche un apparato escretore fornito di reni che consentono di risparmiare acqua, grazie all’emissione di urine molto concentrate.
- L’ossigeno non costituisce un limite al tasso di respirazione cellulare negli ambienti terrestri perché abbonda nell’atmosfera. Invece rappresenta un fattore limitante per gli organismi che vivono nell’acqua, dove è spesso scarsamente disponibile (sotto forma di O 2 in soluzione).
- Il suolo La struttura, il pH e le sostanze nutritive inorganiche rappresentano fattori abiotici molto importanti che condizionano lo sviluppo e la distribuzione delle piante e degli animali. La diversità dei suoli spiega in gran parte la varietà di piante che vivono in ecosistemi differenti tra loro.
- Il vento è per diverse ragioni un importante fattore abiotico. Alcuni batteri, protisti e insetti che vivono sulle sommità innevate delle montagne, dipendono dalle sostanze nutritive che viaggiano trasportate dal vento. Altra influenza sugli organismi è il contributo del vento alla velocità di evaporazione e quindi alla perdita di acqua. Il conseguente raffreddamento potrebbe essere vantaggioso nelle estati calde, ma molto pericoloso negli inverni freddi.
Per chiudere questa parte generale, prima di affrontare lo studio della struttura e funzionamento di un ecosistema, diamo uno sguardo all’evoluzione, concetto unificante di tutti gli esseri viventi. Ogni individuo durante l’arco della sua vita cerca di mantenere l’omeostasi. Ma un gruppo di individui col passare del tempo e nel corso di successive generazioni, ha la capacità di cambiare, modificarsi, cioè di evolvere. L’idea fondante della biologia è l’ evoluzione : teoria secondo la quale gli organismi attualmente viventi sono gradualmente derivati da forme più semplici nel corso di un processo continuo durato centinaia di milioni di anni e tuttora in corso. Concettualmente il termine evoluzione vuol dire sviluppo lento e graduale, svolgimento da una forma ad un’altra più completa e più perfetta (compiuta in tutte le sue parti; non manca di alcuna qualità propria della sua natura). L’evoluzione comunque non deve essere intesa come miglioramento o progresso verso un mondo sempre migliore: non esistono specifiche tendenze ad evolversi verso particolari direzioni. La teoria dell’evoluzione ha posto due tipi di problemi: individuazione delle prove, che in questa sede trascureremo; e la comprensione dei meccanismi. L’evoluzione è possibile grazie a tre processi naturali:
graduale fra bosco e prato; zona paludosa in una foce fluviale in cui è incerto il confine tra acqua e terra emersa. L’ecosistema è per gli ecologi l’unità di studio che ha confini convenzionali, individuato da modelli di riferimento che aiutano il lavoro di indagine. Dopo aver delimitato il nostro ecosistema, anche se in maniera convenzionale, bisogna considerare che esso rappresenta un sistema aperto: lo stretto rapporto con l’intorno si traduce in un continuo ingresso/uscita di energia e di materia. Tutti gli ecosistemi ricevono energia solare che è alla base della vita e perdono calore nell’ambiente; ricevono materia in ingresso e cedono materia in uscita. La ricerca ecologica a qualsiasi livello viene condotta è basata sulle modalità necessarie per svolgere qualsiasi processo scientifico: osservazione, formulazione d’ipotesi, previsione e verifica. L’osservazione di un ecosistema evidenzia solitamente due tipi di problemi fondamentali: ♦ le modalità di trasferimento di energia tra organismi e l’ambiente circostante ♦ modo in cui le sostanze chimiche si riciclano Per procedere finalmente allo studio di un ecosistema rimane da fare l’ultima precisazione: occorre distinguere la descrizione della struttura da quella del funzionamento. Nell’analisi della struttura di un ecosistema si individuano
- le componenti (struttura, pH e caratteristiche chimico-fisiche del suolo, composizione chimica delle soluzioni circolanti, composizione dell’atmosfera, temperatura, umidità, pressione, venti, microrganismi, piante, animali) rappresentano la parte relativamente stabile dell’ecosistema (litosfera, biosfera, atmosfera e idrosfera), modificabile in tempi lunghi.
- Mentre i fattori (clima, fenomeni atmosferici, incendi, interazioni interspecifiche) sono il prodotto nel tempo dei rapporti , delle interazioni tra le diverse componenti del sistema ecologico. Per tale ragione sono il prodotto di tempi brevi Il funzionamento di un sistema ecologico si svolge: ✓ Nello spazio , luogo, area, in cui è presente l’ecosistema. I principali meccanismi di regolazione che tendono a conservare un ecosistema in uno stato di equilibrio dinamico sono flusso di energia, ciclo della materia e omeostasi (vedremo più in dettaglio in seguito) ✓ Anche gli ecosistemi sono modificabili a seguito di diverse azioni, subiscono un processo di evoluzione, che in fasi successive nel tempo , chiamata successione portano ad uno stato finale di equilibrio detto climax. D’ora in poi esamineremo argomenti relativi soprattutto al funzionamento di un ecosistema. Si procederà quindi a definire tutti i termini evidenziati.
FLUSSO DI ENERGIA negli ecosistemi Tutti gli organismi viventi per vivere e riprodursi hanno bisogno di un flusso continuo di energia. L’esperienza ci insegna che per svolgere qualsiasi tipo di attività impieghiamo dell’energia, che può derivare dal nostro interno o dall’esterno. Gli animali ricavano l’energia dal cibo di cui si nutrono, quindi il cibo possiede energia. Ciò è abbastanza intuitivo, ma che cos’è l’energia? Non si conosce l’intima essenza dell’energia, pertanto se ne dà una definizione operativa: essa viene genericamente intesa come l’attitudine a compiere un lavoro. L’energia obbedisce alle leggi classiche della termodinamica :
- l’energia può essere trasformata ma non creata né distrutta. Esempio la luce che colpisce una superficie, può essere trasformata in energia termica (calore) oppure in meccanica (lavoro) o in energia potenziale (zuccheri nei vegetali fotosintetizzanti)
- In ogni processo di trasformazione di energia c’è sempre una degradazione dell’energia da una forma concentrata ad una forma dispersa: una certa quantità si disperde sotto forma di calore non utilizzabile, pertanto nessuna trasformazione spontanea di energia (luce) in energia potenziale (carboidrati) è efficiente al 100% L’energia della biosfera proviene originariamente dalle radiazioni luminose, che dal Sole giungono sulla superficie terrestre; viene catturata dagli organismi fotosintetici e trasformata in energia chimica e passa da una forma vivente all’altra attraverso le catene alimentari. Il Sole è un astro incandescente con temperature altissime, causate da reazioni termonucleari, capace di emettere spontaneamente radiazioni. Lo spettro della radiazione solare contiene energia con lunghezza d’onda nell’ultravioletto, nel visibile e nel vicino infrarosso. La radiazione nell’attraversare l’atmosfera subisce delle modificazioni: generale attenuazione e assorbimento selettivo di alcune
bande dello spettro da parte dei gasi atmosferici. Lo spettro di radiazioni, che giungono in superficie, varierà con l’ora del giorno, specialmente in vicinanza dell’alba e del tramonto, a causa dell’angolo d’inclinazione dei raggi solari, perché diverso sarà lo spessore di gas atmosferici da attraversare. L’atmosfera attenua quindi la luce attraverso l’assorbimento (parte dell’energia incidente passa nelle sostanze che colpisce) e la diffusione (processo per cui l’energia incidente viene diffusa in tutte le direzioni da parte dei gas atmosferici e delle particelle solide sospese). L’attenuazione delle radiazioni dipende dalla quantità e dalle caratteristiche dei materiali assorbenti e diffusivi: gas, acqua e polveri. La radiazione solare è attenuata dall’atmosfera terrestre in modo altamente selettivo: CO (^) 2, O (^3) (ozono), H2O rimuovono dall’atmosfera una discreta quantità di energia a lunghezze d’onda dell’infrarosso (tra 850 e 1030 nm), mentre l’assorbimento nell’ultravioletto subisce una brusca interruzione, grazie soprattutto alla presenza di ozono, e l’energia che raggiunge la superficie terrestre non ha lunghezze d’onda dell’ultravioletto minori di 300 nm, che sarebbero fortemente nocive per la vita. La nostra atmosfera in pratica fornisce una finestra attraverso la quale passano le lunghezze d’onda del visibile. Una conseguenza diretta dell’assorbimento selettivo sono le forme di vita della biosfera. Tutto il mondo biologico ricava energia potenziale dalle sostanze organiche prodotte dagli organismi fotosintetici: l’energia luminosa del sole viene captata dalla clorofilla (pigmento verde) e immagazzinata nei carboidrati (molecole ricche di energia chimica) mediante un processo chiamato fotosintesi (fare cose con la luce). I due processi fondamentali (flusso di energia e riciclaggio delle sostanze) che sono alla base di ciascun ecosistema, sono messi in moto dalla fotosintesi (meccanismo costruttivo di sostanza organica attraverso la trasformazione di energia da la forma luminosa a quella chimica) e dalla respirazione (meccanismo di distruzione di sostanza organica con dissipazione di energia sotto forma di calore). La fotosintesi , la luminosa strada che mette a nostra disposizione grandi quantità di cibo, di fibre e di energia, è un processo fotochimico svolto da organismi definiti fototrofi, autotrofi e, dagli ecologi, produttori primari. Gli organismi capaci di svolgere la fotosintesi sono piante verdi, alghe azzurre e verdi, e alcune specie di batteri), grazie alla presenza di un particolare pigmento verde chiamato clorofilla. Durante questo processo gli organismi autotrofi sono in grado di captare l’energia luminosa delle radiazioni solari e di convertire reagenti a basso contenuto energetico come l’H (^) 2O e la CO 2 in prodotti ad alto contenuto energetico come il glucosio (carboidrato con formula = C (^) 2H (^) 12O (^) 6). La molecola della clorofilla utilizzando l’energia luminosa opera la scissione della molecola di H (^) 2O dalla quale si ottiene H 2 necessario per la riduzione della CO (^) 2. La fotosintesi avviene in organuli particolari delle cellule vegetali chiamati cloroplasti (strutture a forma di lente); essa ha un posto di 1° piano nel ciclo del carbonio (come vedremo in seguito). I boschi, le foreste, la vegetazione marina e l’agricoltura continuano da millenni di anni a catturare l’energia luminosa e a trasformare grossi quantitativi di CO 2 dell’atmosfera (ogni anno si stima una quantità pari a circa 75 milioni di tonnellate), in composti organici. I carboidrati vengono utilizzati dagli stessi produttori per formare altri composti organici necessari sia alla loro crescita sia come sorgente di energia in assenza di luce solare. L’importanza della fotosintesi clorofilliana per tutti gli esseri viventi è data dal fatto che questo processo costituisce la sorgente di tutta l’energia chimica utilizzata per il mantenimento e lo sviluppo della vita sul nostro pianeta e perché rappresenta il meccanismo fondamentale in grado di trasformare il carbonio inorganico, inutilizzabile dagli organismi viventi, in carbonio organico assimilabile. Sinteticamente il processo fotosintetico è rappresentato dalla seguente reazione:
6CO 2 + 6H 2O + energia solare → C 2H 12O 6 (glucosio) + 6O 2 ( endoergonica )
La fotosintesi è il processo che serve a catturare l’energia del sole e a trasformarla in vita biologica e in complessità. Le piante lavorano per noi, perché il processo fotosintetico, non solo è utile per produrre l’indispensabile sostanza organica da elementi inorganici, ma in più libera l’O (^) 2, gas irrinunciabile per la respirazione cellulare di quasi tutti gli esseri viventi (eccetto microrganismi anaerobi, cioè capaci di vivere anche senza ossigeno). Contrapposto alla fotosintesi c’è la respirazione, processo catabolico di demolizione del glucosio in anidride carbonica e acqua, con produzione di energia sotto forma di molecole organiche di un composto con tre atomi di fosforo, detto Adenosin-Tri-Fosfato (in sigla ATP), che ha la funzione di immagazzinare temporaneamente l’energia provenente dalla degradazione dei combustibili organici
materiale inorganico con un processo di mineralizzazione, che vedremo meglio quando affronteremo il ciclo della materia. Ci sono diversi tipi di catene alimentari in funzione dell’ambiente e della struttura trofica ne consideriamo due tipi appartenenti rispettivamente all’ambiente acquatico e all’ambiente marino:
✓ Fitoplancton → copepode → alborella → trota
✓ Acero → afide → ragno → cinciallegra → astore
Ci sono diversi tipi di catene alimentare a secondo di qual è il primo livello trofico: quella dei predatori dai vegetali ad animali sempre più grossi; dei parassiti da animali più grossi a d animali più piccoli; e dei saprofiti da sostanze organiche morte ai microrganismi. Il modello della catena alimentare è molto semplificato, pertanto per studiare la struttura di un ecosistema è più corretto parlare di rete alimentare (food web, secondo la definizione di Elton), in quanto le catene alimentari non esistono isolate, ma risultano essere interconnesse da un insieme di interazioni trofiche che si intersecano fra loro. Molti organismi si potrebbero collocare in più livelli trofici in funzione delle loro abitudini alimentari: un esempio classico è rappresentato dall’uomo che si nutre sia di vegetali che di carne. La rete alimentare quindi rappresenta uno schema di relazioni trofiche complesso che comprende più catene alimentari: rapporti alimentari molteplici che un singolo individuo può instaurare con altri collocati in più livelli trofici.
Le piramidi ecologiche Quando la sostanza organica passa attraverso i diversi livelli trofici si assiste ad una riduzione della quantità di energia da un anello al successivo, a causa della respirazione, del calore irraggiato, dei materiali di escrezione, ecc… Al termine della catena alimentare tutta l’energia chimica risulta degradata a energia termica non riutilizzabile. Perciò occorre un continuo apporto di nuova energia, cioè luce solare. Le perdite di energia che si verificano ad ogni passaggio di livello comportano che le popolazioni numerose si possono trovare solo ai livelli più bassi (p.e. erbivori > carnivori). Ciò ha importanti implicazioni anche per quanto riguarda l’alimentazione umana: più è breve la catena alimentare minore è la dispersione di energia. Dal punto di vista economico è strettamente più conveniente adottare una dieta a base di cereali e legumi, che utilizzare questi per allevare gli erbivori di cui ci cibiamo (lettura fotocopia: La piramide dell’energia spiega perché la carne è un bene di lusso per l’uomo). Il giovane ecologo Charles Elton, studiando le forme di vita nelle isole Spitzberger nel Circolo polare artico, fece una semplice e geniale osservazione: “ i grandi animali sono sempre meno numerosi dei piccoli animali ”Come si spiega ciò? Attraverso le considerazioni circa il flusso di energia e le leggi della termodinamica citate a pag. 10. Passando da un livello trofico a quello successivo il numero di individui diminuisce perché parte dell’energia disponibile ad un dato livello viene consumata, per cui non è più disponibile per il livello successivo. L’energia si disperde in calore che è una forma che non è più in grado di compiere lavoro utile per gli organismi. La dispersione avviene in accordo al secondo principio della termodinamica e perché gli esseri viventi consumano energia nel processo di respirazione per mantenere organizzate ed efficienti le loro strutture (omeostasi) e per svolgere tutte le attività vitali. L’energia in ingresso ad un certo livello non potrà mai essere interamente trasferita l livello successivo. La struttura trofica di un ecosistema o di una catena alimentare può essere descritta in termini di individui, in termini biomassa e in termini di energia. Le piramide ecologiche rappresentano raffigurazioni grafiche della struttura trofica:
- piramidi dei numeri si suppone di sovrapporre dei rettangoli orizzontali della stessa altezza e la cui lunghezza è proporzionale al numero di individui per singolo livello. I gradini corrispondono al passaggio di livello. Nella catena alimentare dei predatori Tanto più alta è la piramide quanto più alto è il numero dei livelli trofici. Generalmente il numero degli individui diminuisce dal primo all’ultimo livello, pertanto la piramide ha la forma di una triangolo con la punta rivolta verso l’alto se abbiamo una catena alimentare dei predatori (i predatori sono sempre meno numerosi delle loro prede), mentre la punta è rivolta verso il basso se la catena trofica è dei parassiti.
- Piramidi delle biomasse è un secondo modo di rappresentare i dati ecologici. In questo tipo di piramide si indica il livello trofico con lo stesso criterio di
sovrapposizione di rettangoli, ogni gradino rappresenta la biomassa corrispondente del livello trofico
- Piramidi dell’energia questo tipo sarebbe il più soddisfacente, ma non sempre si dispone dei dati sufficienti. Ogni livello trofico è rappresentato da un rettangolo di lunghezza proporzionale alla quantità di energia chimica accumulata per unità di tempo e per unità di superficie (o volume) in quel livello trofico. Ha sempre la forma di un triangolo con la punta rivolta verso l’alto a causa della perdita di energia nei passaggi da un livello a quelli successivi in conseguenza delle leggi della termodinamica.
Modelli di flussi di energia in due tipi di livelli trofici: A – produttori primari B - consumatori
Produzione primaria netta respirazione produzione secondaria Respirazione
En. non assimilata En non assimilata escrementi
En non utilizzata En non utilizzata
En. radiativa Energia dispersa energia in compartimento in arrivo come calore ingresso della sostanza organica morta
Rendimento energetico Le piante sono in grado di convertire, mediamente, in biomassa vegetale solo l’1-2% della radiazione solare disponibile. Nei successivi passaggi lungo la catena trofica la produttività si riduce al 10% di energie in ingresso nel livello trofico, cioè se i produttori primari di un ecosistema generano con la fotosintesi 100 Kcal/ora sotto forma di biomassa, gli erbivori convertono in biomassa animale solo 10 Kcal/ora di energia, mentre 90 Kcal/ora si disperde in parte trasformata in calore e in parte espulsa come rifiuto organico che sarà poi utilizzata dai decompositori. Serve quindi una grande quantità di biomassa di vegetali per sostenere un piccolo numero di superpredatori. Con questi calcoli molto approssimati è facile capire come mai il numero dei grandi predatori è sempre più piccolo del numero delle piccole prede. Prima di parlare di produttività è bene fare riferimento ad altri organismi produttori. Esistono dei batteri capaci di svolgere la fotosintesi utilizzando l’acido solfidrico (H (^) 2S), anziché l’acqua per ottenere H 2 necessario per la riduzione della CO (^) 2. Questi organismi si chiamano solfobaterri e vivono
biomassaBiomassa
caldo come i mammiferi, perché devono mantenere costante la loro temperatura corporea, sprecano buona parte della loro energia durante la respirazione, i rendimenti sono molto bassi intorno al 2%
IL RICICLAGGIO CHIMICO DELLA MATERIA negli ecosistemi Il passaggio delle sostanze organiche attraverso gli esseri viventi segue un movimento ciclico: gli elementi chimici come il carbonio, l’azoto, lo zolfo, il fosforo e tanti che costituiscono la materia vivente, passano dall’ambiente abiotico (aria, suolo e acqua) alla componente biotica del sistema ecologico. Le piante e altri organismi produttori prelevano questi elementi in forma inorganica dall’aria e dal suolo e li fissano in molecole organiche. A partire da questo momento la produttività primaria è in parte utilizzata dai consumatori primari (erbivori), detti anche “pascolatori”, mentre il resto andrà a costituire la sostanza organica morta che verrà abbandonata sul suolo: foglie, rami, frutti, tronchi. Questa massa di materiale organico morto rappresenterà la dieta degli organismi decompositori. In pratica la produttività primaria diventa fondamento alimentare per due catene: quella del pascolo e quella del detrito. Queste due catene che si basano sui produttori coesistono e sono connesse fra loro nello stesso ecosistema, anche se operano in tempi, spazi e modi diversi. La materia organica morta in uscita dalla catena del pascolo entra a far parte della catena del detrito, al quale partecipano, naturalmente, anche i rifiuti organici e i resti dei corpi morti degli organismi della catena del detrito stesso. I microrganismi che decompongono i rifiuti organici e i detriti di altri organismi morti restituiscono al suolo e all’aria la maggior parte degli elementi in forma minerale. Il riciclaggio della materia implicano quindi il passaggio di sostanza attraverso i diversi livelli trofici di una catena alimentare. Come già sappiamo dai principi della termodinamica, ad ogni passaggio, nel suo movimento ciclico, la sostanza organica perde parte dell’energia chimica di cui è costituita sotto forma di calore. La materia organica morta depositata sul suolo richiede un certo lasso di tempo prima di essere mineralizzata mediante l’intervento dei decompositori. Succede anche che non tutta la materia organica morta venga mineralizzata, soprattutto per due motivi:
- perché viene allontanata dall’ecosistema (esempio detriti organici asportati dalla corrente di corsi d’acqua)
- perché alcune sostanze organiche complesse non essendo mineralizzate subito si accumulano nel suolo e con il tempo si trasformano, attraverso una serie di processi prima in humus, poi se i suoli sono particolarmente ricchi di sostanza organica e in particolari condizioni il processo porta alla formazione di torba che col tempo può formare lentamente combustibili fossili e infine il petrolio. Quindi una certa quantità degli elementi vengono momentaneamente sottratti al ciclo, andando a costituire depositi di materiale organico che segue un processo molto lento di mineralizzazione. La velocità di decomposizione della sostanza organica è strettamente correlata al suo contenuto d’azoto. I microrganismi decompositori contengono all’interno delle loro cellule materiale organico con una quantità di carbonio, mediamente, dieci volte superiore a quella di azoto. Quindi il rapporto carbonio/azoto è pari a 10. Il materiale vegetale è invece caratterizzato da un rapporto C/N di molto superiore che va da 40 a 100. Il materiale che ha un rapporto < 25 si ossida con una discreta velocità, mentre con un rapporto C/N > 25 il processo è più lento. Più è alto il contenuto di azoto del materiale vegetale in decomposizione, maggiore è lo sviluppo dei microrganismi e quindi più veloce è il processo di decomposizione. I microrganismi con la loro attività di decomposizione spostano il rapporto C/N della materia organica vegetale verso i valori tra 10 e 25 (corrispondenti al rapporto C/ N dell’humus). La mineralizzazione della sostanza organica, cioè la sua completa ossidazione, può avvenire quindi a due velocità:
- una parte è subito trasformata in composti inorganici, perché costituita da molecole la cui struttura risulta facilmente decomponibile da parte degli organismi del suolo (zuccheri semplici, grassi e piccole molecole proteiche)
- la restante parte, invece è costituita da una serie di molecole che risultano difficilmente attaccabili dai decompositori (lignina, macromolecole proteiche, cellulosa e emicellulosa,
tannini, grassi, cere..). L’azione dei microrganismi e quella dei fattori chimico-fisici non riescono a decomporre completamente il materiale organico e il suolo tende ad arricchirsi di una sostanza organica diversa da quella iniziale, parzialmente decomposta, cioè si forma l’ humus L’humus (dal latino humus che significa suolo, terreno) risulta quindi il prodotto di una parziale decomposizione del materiale organico presente sulla superficie del terreno (lettiera), è sempre di natura organica, ed è molto stabile. La sua completa decomposizione dipende da alcuni fattori climatici e anche dalla concentrazione di O (^) 2. L’humus rappresenta un tipo di suolo ricco di sostanza organica: presenza di numerose sostanze molto diverse fra loro; alcune risultano forme di passaggio nel processo di demolizione in corso (lignine, cere, grassi, proteine e carboidrati) altre variamente note o di difficile identificazione, da considerare forme di arrivo, dette genericamente sostanze umiche (acidi umici, acidi fulvici, umina) Si presenta come una massa bruna omogenea di natura colloidale. Svolge un ruolo molto importante nei suoli sui processi biologici e sull’assorbimento radicale. L’humus infatti non è assorbito dalle radici delle piante, in quanto per lo più insolubile, ma ne favorisce l’alimentazione minerale, attraverso la formazione di sali umominerali con i cationi delle soluzioni circolanti. Altro ruolo importante è quello di conferire al terreno diversi caratteri fisico- chimici:
- favorisce la formazione e il mantenimento della struttura glomerulare, che consente una buona circolazione dell’aria e acqua;
- accentua il potere adsorbente (capacità dei colloidi del terreno di trattenere gli ioni minerali;
- esercita un potere tampone di contenimento delle reazioni del suolo (pH) entro un fascia di neutralità. Condizioni ottimali per lo sviluppo della flora coltivata e della microfauna.
- Accresce la capacità idrica del terreno e la capacità termica (suolo scuro)
- Stimola le attività biologiche interne al terreno La mancanza di humus che si verifica quando alla coltivazione intensiva del terreno non corrispondono adeguate restituzioni organiche, deprime la fertilità (caso di orientamenti produttivi a monocolture vegetali).
Fabbricanti di suolo: detritivori e decompositori Se si pensa ad un bosco siamo abituati ad immaginarcelo come un qualcosa statico, o tutt’al più variabile con il ritmo delle stagioni, mentre ad osservarlo bene risulta essere un ecosistema estremamente dinamico. Il dinamismo del bosco non risulta a prima vista perché i flussi di energia e il ciclo della materia (costantemente presenti) sono mantenuti in equilibrio da meccanismi assai complessi e delicati. Un primo assunto da considerare è che tutta la materia organica elaborata dagli organismi viventi transita obbligatoriamente attraverso il suolo. La superficie del suolo viene continuamente arricchita di foglie morte e frammenti vegetali vari; vertebrati e invertebrati partecipano anch’essi al fenomeno di accumulo di sostanza organica con le loro deiezioni e i loro resti. Anche in profondità le radici dei vegetali, alla loro morte, producono una discreta quantità di materiale organico. Tutto questo detrito, prodotto dalle attività vitali degli organismi viventi (vegetali e animali), se non ci fosse l’intervento di organismi “spazzini”, che hanno la funzione di decomporre, si accumulerebbe senza sosta, finendo così per ostacolare il ciclo della materia, ristagnando elementi nutritivi indispensabili allo sviluppo dei vegetali superiori. Cerchiamo di capire quindi il ruolo dei piccoli organismi presenti nel suolo. La mineralizzazione della sostanza organica morta costruita dai produttori (essenzialmente vegetali) e dai consumatori (animali erbivori e carnivori) è svolta essenzialmente dai funghi e dai batteri presenti nel suolo. In condizioni ottimali, cioè quando l’ecosistema è in “buona salute”, tutta la sostanza organica morta viene smaltita, mineralizzata, senza dare origine a fenomeni di accumulo. Questo avviene grazie alla presenza di popolazioni di organismi presenti negli strati superficiali del terreno, rappresentati da differenti specie la cui azione combinata porta alla frammentazione e spezzettamento minuto della sostanza organica prodotta in quell’ambiente. La decomposizione completa di un detrito è sempre il risultato di azioni combinate di specie diverse di organismi. I decompositori si suddividono in
- Detritivori : gruppi di animali, essenzialmente protozoi, nematodi, anellidi, artropodi, molluschi e piccoli vertebrati. Non tutti hanno pari importanza in termini di biomassa e di
organismo, popolazione o ecosistema) è la quantità di questa sostanza potenzialmente disponibile e utilizzabile (immediatamente o no) per tutti i componenti del sistema stesso. In ecologia si distinguono:
- Grande pool non biologico (o di riserva) in lento movimento. Rappresenta la porzione di nutrienti non disponibile (chimicamente o fisicamente lontana dalla possibile assunzione degli organismi)
- Sottocompartimento disponibile- pool più piccolo, ma molto più dinamico che è in rapido scambio con gli organismi. Forme chimicamente assimilabili e fisicamente più vicine agli organismi, soggette ad un’attiva circolazione. Bisogna comprendere che fra i due tipi di pool non c’è una separazione netta e le assegnazioni (disponibile e non disponibile) hanno un significato relativo. Infatti un atomo nel pool di riserva non è necessariamente sempre inutilizzabile da parte degli organismi viventi. Quasi sempre si verifica un lento movimento di atomi tra pool non disponibile e quello disponibile. Gli elementi e i sali indispensabili alla vita vengono indicati come elementi o sali biogeni e sono divisi in due gruppi:
- macroelementi gli elementi e i relativi composti che svolgono funzioni chiave nel citoplasma e sono necessari in quantità relativamente grandi. Carbonio , idrogeno , ossigeno , azoto , zolfo , potassio, calcio, magnesio, e fosforo.
- microelementi gli elementi e i loro composti anch’essi necessari per il funzionamento degli organismi, ma richiesti in quantità minime. Alcuni di essi sono indispensabili per la produzione primaria: ferro , manganese , rame , zinco, boro, sodio, molibdeno, cloro, vanadio e cobalto. I microelementi rivestono una notevole importanza, perché essi si possono trovare nell’ambiente in quantità ancora più piccole di quelle necessarie per un organismo, quindi la loro scarsezza può limitare la produttività come accade per un macroelemento. La composizione chimica della biosfera è diversa da quella dell’atmosfera, della litosfera e dell’idrosfera, pertanto gli organismi devono usare dei particolari meccanismi per prendere dall’ambiente gli elementi di cui hanno bisogno e per far sì che la circolazione dei materiali tra componente biotica e quella abiotica sia il più efficiente possibile. I cicli biogeochimici sono di due tipi: ■ gassoso il pool di riserva è rappresentato dall’atmosfera o dall’idrosfera (composti gassosi liberi nell’aria o disciolti nell’acqua) ■ sedimentario il pool di riserva è localizzato nella litosfera, sotto forma di composti solidi.
Ciclo del carbonio ( dipende dall’attività della fotosintesi e dalla respirazione cellulare) Il carbonio è un macroelemento particolare, grazie alla sua spiccata capacità di combinarsi con se stesso per formare catene più o meno lunghe ne fa l’elemento fondamentale di tutti i composti organici. La circolazione di questo elemento negli ecosistemi è data dalla contrapposizione dei due più importanti processi biologici: fotosintesi e respirazione. Il ciclo del carbonio rappresenta una serie di reazioni chimiche le quali si svolgono in parte ad opera degli organismi viventi e in parte senza il loro intervento diretto, che portano alla trasformazione del carbonio inorganico a basso contenuto energetico (CO2) in composti organici con alto contenuto energetico (glucosio) e alla successiva demolizione dei prodotti di sintesi della fotosintesi fino alla formazione di nuovo in CO (^) 2. contemporaneamente al ciclo del carbonio avviene anche il ciclo dell’ossigeno che con la fotosintesi passa da H (^) 2O a O2; durante la respirazione invece si ha il passaggio da O 2 a H (^) 2O. La 1ª fase quindi consiste nella trasformazione della CO 2 in composti organici (carboidrati). La è CO 2 presente nell’atmosfera (0,03%), nell’acqua dei fiumi o dei mari (acido carbonio, bicarbonato o carbonati). La trasformazione avviene nelle piante, nelle alghe e in tutti gli organismi autotrofi, richiedendo una rande quantità di energia che viene fornita, nella maggior parte dei casi, dalle radiazioni solari captati da pigmenti contenuti in tali organismi (clorofilla). La fotosintesi avviene sia sulle terre emerse (Circa 35 miliardi di ton di C/anno), sia negli strati superficiali dei mari ( 40 miliardi di ton di C/anno). I carboidrati vengono in parte utilizzati direttamente dagli organismi produttori per le loro esigenze (trasformati in lipidi, protidi..) e soprattutto demoliti (respirazione) per ricavare l’energia per tutte le funzioni vitali. Una seconda parte è utilizzata dai consumatori primari (eterotrofi). Anche questa
porzione di energia chimica contenuta nei materiali vegetali, che costituiscono l’alimento degli erbivori, viene utilizzata soprattutto attraverso la respirazione per ricavare l’energia per le esigenze vitali; mentre una minima parte è impiegata per la crescita e lo sviluppo degli organismi. Sia gli organismi vegetali che gli organismi animali danno origine a materiale organico morto che attraverso lenti processi di demolizione (svolta soprattutto da microrganismi) viene trasformata in CO2. La velocità del processo è più alta nelle acque (ricche di microrganismi) che nelle terre emerse. Ci sono delle connessioni fra quanto succede nei mari e ciò che succede nelle terre emerse, perché il contenuto di CO 2 nell’atmosfera è regolato dal contenuto della CO 2 dei mari e viceversa. Gli oceani
assorbono l’ CO 2 dall’aria, trasformandola in bicarbonato e carbonati, mantenendone bassa la concentrazione in atmosfera. Gli oceani svolgono un ruolo di equilibrio. Negli oceani gli ioni carbonati si possono legare agli ioni calcio e danno origine a dei sali insolubili che precipitano sul fondo e si accumulano dando origine ai depositi di calcare. Nei depositi di calcare il carbonio è in una forma non disponibile per la fotosintesi. Questa riserva di carbonio può diventare disponibile a seguito dell’erosione e solubilizzazione delle rocce calcaree che permettono quindi la formazione di CO2. A questo ciclo si inserisce un altro che dura molto più a lungo grazie alla presenza nei materiali organici morti di particolari composti organici che risultano più resistenti alla decomposizione. La lignina e la cellulosa abbandonata non vengono prontamente mineralizzate ma si trasformano in humus. L’humus rappresenta in questo caso un deposito di carbonio organico non prontamente disponibile per la biosfera. Se la quantità di humus diventa eccessiva essa col tempo da origine alla torba. Nel corso di tempi molto lunghi (ere geologiche) i materiali organici non decomposti che si accumulano seguono un processo di lenta fossilizzazione e carbonizzazione, cioè aumento del contenuto di carbonio, che attraverso passaggi successivi vengono trasformati prima in a. torba carbone di età più recente e si rinviene nelle torbiere (in genere sedi di antiche paludi), in aggregati spugnosi o stratificati, bruno-nerastri. Possono essere: alte forma lievemente convessa in regioni montuose o alle alte latitudini; basse con forme piatte presenti in pianure con acque stagnanti. La torba può contenere fino al 90% di acqua al momento dell’estrazione. b. Lignite rappresenta uno stadio più avanzato di carbonizzazione dei vegetali. Ci sono diversi passaggi dalla torba alla lignite a seconda del materiale di partenza: lignite morbosa a partire da materiale povero di lignina si presenta stratificata brunastra. Lignite xiloide è più chiara e compatta ricca di legno c. Litantrace ulteriore stadio è nero con zone brillanti e opache. Viene usato per il riscaldamento e per la produzione di coke. d. Antracite rappresenta l’ultimo stadio del processo di carbonizzazione (formazione del carbone). Masse nere lucenti con fratture concoidi o angolare. Viene utilizzato come combustibile. Anche il petrolio ha origine dal carbonio organico che si è depositato insieme ad altri detriti in proporzioni di circa l’1% del totale originario. Il carbonio così depositato si conserva nei bacini sedimentari e nel corso di tempi geologici viene sottoposto a un ciclo di trasformazioni che in funzione della durata e intensità dà origine al carbone, petrolio o grafite. Negli ambienti marini la sostanza organica fornita dal plancton si deposita sul fondo insieme a minute particelle di minerali dando origine ad argille o marne al alto contenuto organico. Il fondo può abbassarsi per subsidenza (abbassamento) e le rocce sedimentarie ricche di materiale organico vengono spinte in profondità verso temperature sempre crescenti dove si verificano i diversi processi di trasformazione. Il processo di formazione del petrolio dipende dal valore del gradiente geotermico del bacino e dalla velocità di subsidenza della roccia madre. Nel corso di ere geologiche (di durata di centinaia di milioni di anni) si sono accumulati circa 10 milioni di miliardi di tonnellate di C. Però a partire dalla riduzione industriale ad oggi l’industria nella sua continua ricerca di fonti di energia , per lo svolgimento delle attività produttive, si è introdotta in maniera molto forte in questo processo, estraendo e bruciando quantità sempre maggiori di carbone e idrocarburi (petrolio). Tutto ciò comporta un aumento della CO 2 nell’atmosfera, che viene compensata solo parzialmente dall’assorbimento attraverso la fotosintesi da parte dei produttori. Negli ultimi decenni l’immissione nell’atmosfera di CO 2 è fortemente aumentata a causa delle maggiori richieste di energia per lo sviluppo demografico. Se il comportamento della specie umana, che
