Ma che cos’è l’ambiente?
“L’ambiente si definisce come una
porzione di spazio con caratteristiche
tali da poter contenere vita”. La
presenza, almeno potenziale, della vita è
essenziale nella definizione di ambiente.
Gli ecosistemi
Gli organismi viventi ed il loro ambiente non
vivente (abiotico) sono inseparabilmente legati
ed interagiscono l’uno con l’altro.
Qualsiasi unità che comprende tutti gli
organismi (comunità biotica) di una data area
interagenti con l’ambiente fisico in cui si
individua
flusso di energia
e
ciclo della
materia
tra componenti viventi e non viventi è
un
sistema ecologico
o
ecosistema
.
Gli ecosistemi
È necessario avere un’impostazione
olistica (d’insieme)
I sistemi, dal punto di vista
termodinamico, possono essere:
1.
aperti
(pianta)
2.chiusi
(Terra)
Gli ecosistemi
SISTEMA (delimitato)
Ambiente di entrata Ambiente di uscita
Sole Altre en. Input di materiali; Immigrazione di organismi Energia e materiali trasformati; Emigrazione di organismi
Il confine del sistema è arbitrario (qualsiasi cosa sia conveniente o di interesse)
Gli ecosistemi sono sistemi aperti anche se l’aspetto generale e la funzione di base possono rimanere costanti per lunghi periodi di tempo
Gli ecosistemi
Sole A H H H H S mat org S nutr Riciclo dei nutrienti Immigrazione ed emigrazione di organismi Fonte di materiali (nutrienti) Fonte di materia organica Ecosistema Dissipazione di caloreGli ecosistemi
L’estensione degli ambienti di entrata e di uscita varia a seconda di alcuni parametri:
1. Dimensione del sistema (più grande è il sistema, meno dipende dall’esterno)
2. L’intensità metabolica (più elevato è il tasso, maggiori sono le entrate e le uscite)
3. L’equilibrio autotrofia-eterotrofia (maggiore è lo squilibrio, maggiori sono le richieste esterne per il riequilibrio)
4. Lo stadio di sviluppo (i sistemi giovani differiscono da quelli maturi)
Es. una vasta area montana coperta da boschi ha ambienti di entrata e di uscita molto più piccoli di un piccolo corso d’acqua.
Gli ecosistemi
INPUT > OUTPUT
INPUT < OUTPUT
INPUT = OUTPUT
Il sistema si accresce Il sistema decresce Stato stazionarioCibernetica degli ecosistemi
Gli ecosistemi sono caratterizzati da flusso di energia e ciclo della materia, che portano il sistema ad uno stato stazionario
Feedback negativi
hanno effetto di
regolatore, stabilizzano, cioè, il
sistema nella condizione stazionaria
Feedback positivi
agiscono, invece, da
moltiplicatore di un fenomeno
Cibernetica degli ecosistemi
Es. Il feedback positivo è necessario per la crescita e la
sopravvivenza degli organismi, ma per impedire la crescita eccessiva di una popolazione è necessario un feedback negativo che neutralizza l’input della deviazione.
Si distinguono due tipi di stabilità:
Resistenza, capacità di un ecosistema di
resistere alle alterazioni e ai fattori di disturbo;
Resilienza, capacità di un ecosistema di
rispondere in maniera flessibile ad un fattore di disturbo esterno che non sia
troppo drastico, recuperando in poco tempo.
Rispetto alla struttura trofica un ecosistema è diviso in due strati:
Strato superiore o autotrofo o fascia verde,
in cui predomina la fissazione dell’energia luminosa in energia chimica e la conversione di sostanze inorganiche in organiche;
Strato inferiore o eterotrofo o fascia bruna
in cui predomina l’utilizzazione, la
trasformazione e la decomposizione di sostanze complesse.
L’ecosistema è costituito dalle seguenti
componenti:
Sostanze inorganiche
Composti organici
Aria, acqua,substrato,clima
Produttori
Fagotrofi
Saprotrofi
Componenti degli ecosistemi
Componenti abiotici (acqua, aria,
nutrienti, energia solare …)
Componenti biotici (piante, animali,
microorganismi)
Componenti biotici degli ecosistemi
Produttori o
autotrofi
FOTOAUTOTROFI
CHEMIOAUTOTROFI
Consumatori o
eterotrofi
ERBIVORI
CARNIVORI
ONNIVORI
SAPROFAGI
DETRITIVORI
I fattori ecologici
Ogni variabile fisica, chimica o
biologica dell’ambiente in grado di
influire sulla vita di un organismo,
almeno in una fase del suo ciclo vitale,
assume il ruolo di fattore ecologico.
I fattori ecologici
Fattori abiotici
Fattori climatici
Caratteristiche
chimiche e fisiche del suolo Caratteristiche chimiche e fisiche delle acque Luce Temperatura
Fattori biotici
Interazioni intraspecifiche (competizione) Interazioni interspecifiche (predazione, parassitismo, simbiosi mutualistica)I fattori ecologici
I fattori ecologici possono essere
distinti in
risorse
e
condizioni
.
1.
La
risorsa
viene consumata
2.
La
condizione
influenza la velocità dei
processi funzionali e la capacità degli
organismi di consumare le risorse, ma
non viene consumata.
Risorse e condizioni
Risorse
Nutrienti
Acqua
Luce
Condizioni
Temperatura
Umidità
Luce
pH
Salinità
Vento
Nell'ottocento il chimico e agronomo Justus von Liebig (Darmstadt 1803 - Monaco 1873), in relazione allo
sviluppo vegetale, mise in evidenza che in genere è un nutriente (es. Zn) che limita la crescita di una pianta, in particolare quel nutriente che è presente in minore quantità nell’ambiente (acqua o terreno) rispetto alle necessità della pianta.
Nella formulazione originale, la legge di Liebig diceva: “La crescita di una pianta dipende dalla risorsa presente
in quantità minima”.
Successivamente la legge è stata ampliata estendendola alle modalità di crescita di qualsiasi popolazione
vivente in un ecosistema:
“La crescita di un individuo (o di una popolazione) in un ecosistema è determinata dal fattore ecologico che è presente in quantità minore rispetto alle necessità"
Tale fattore è detto “fattore limitante” perché di fatto determina il limite massimo di crescita delle
popolazioni.
La legge di Liebig, nella sua accezione più generale, è universalmente accettata in campo ecologico ed è
conosciuta anche come “
Teoria del Minimo
”Legge della tolleranza di Shelford
(1913)
Qualsiasi fattore abiotico in dosi troppo
piccole o troppo grandi può limitare o
impedire la crescita di una popolazione.
Es.
nutrienti, acqua per ecosistemi terrestri;temperatura, luce, ossigeno disciolto per ecosistemi acquatici
L’organismo riesce a svolgere le
funzioni vitali all’interno di un
intervallo di valori per ciascun fattore
ecologico
AMBITO DI TOLLERANZA
Come risponde un organismo ai
singoli fattori ecologici?
Relazione tra gli organismi e i
fattori abiotici dell’ecosistema
“Ogni organismo di fronte ai fattori ambientali ha un intervallo di
tolleranza compresi tra un minimo e un massimo entro cui si colloca il suo optimum ecologico”. Questo implica che:
1. ogni specie, per ogni fattore ambientale, ha un intervallo ottimale di crescita entro il quale la popolazione prospera;
2. al di fuori di tali valori ottimali, esiste un intervallo di tolleranza entro il quale la specie ha ancora possibilità di crescita ridotta o almeno di sopravvivenza in attesa che si ripristino le condizioni ottimali;
3. oltre i limiti di tolleranza, per ogni fattore ecologico, la specie non può esistere in un certo ambiente.
Interazioni organismi-ambiente
L’esistenza, l’abbondanza e la
distribuzione di una specie in un
ecosistema sono determinate dal livello
di uno o più fattori fisici e chimici che
cadono all’interno del suo ambito di
I corollari a queste leggi permettono di spiegare le risposte degli organismi ai fattori limitanti: 1. Popolazioni diverse, anche nello stesso
ecosistema, possiedono intervalli di tolleranza diversi per ogni fattore limitante.
2. Le popolazioni con valori di tolleranza più
ampia sono maggiormente adattabili, pertanto tendono ad essere quelli più diffusi e
maggiormente resistenti alle variazioni che possono intervenire nei fattori del loro
ecosistema.
I corollari alle leggi
di Liebig e di Shelford
3. I limiti di tolleranza di ciascun fattore possono
essere influenzati dal valore assunto da altri fattori ecologici (es. molte specie di piante modificano la
loro sensibilità alla radiazione solare a seconda dell’umidità dell’ecosistema in cui sono poste);
4. Gli organismi, per periodi limitati ma anche per molti anni, riescono a sopravvivere in condizioni peggiori rispetto a quelle tollerate (alcune funzioni vengono ridotte o addirittura sospese, es. letargo). La
riproduzione viene effettuata soltanto all’interno dei limiti ottimali.
I corollari alle leggi
di Liebig e di Shelford
5. I limiti di tolleranza, anche nello stesso
individuo, cambiano a seconda dello stato di salute dell'individuo. Spesso cambiano anche a seconda dell’età dell’individuo (organismi adulti possono avere limiti più ampi rispetto agli
stessi organismi più giovani per alcuni fattori o limiti più ristretti per altri fattori).
I corollari alle leggi
di Liebig e di Shelford
Ampiezza dell’ambito
di tolleranza
Per indicare l’ampiezza relativa dell’ambito di
tolleranza per i vari fattori ecologici vengono
generalmente usati i prefissi
steno-
(ristretto) o
euri-
(ampio).
Es.
stenotermo-euritermo ristretta ed ampia tolleranza rispetto allatemperatura
stenoidrico-euriidrico ristretta ed ampia tolleranza rispetto all’acqua stenoalino-eurialino ristretta ed ampia tolleranza rispetto alla
salinità
stenofago-eurifago ristretta ed ampia tolleranza rispetto al cibo
stenoecio-euriecio ristretta ed ampia tolleranza rispetto alla selezione
Ampiezza dell’ambito
di tolleranza
L’ampiezza dell’intervallo di
compatibilità di un organismo
rispetto a uno o più fattori
ecologici prende il nome di
Definizione di:
Gli ecosistemi possono essere naturali o
artificiali. Esempi di ecosistemi artificiali
sono i campi coltivati, gli stagni agricoli e i
serbatoi sbarrati da una diga.
Selezione naturale
Gli individui di una popolazione non
sono tutti identici (dimensioni,
velocità di sviluppo, risposta ai
fattori abiotici);
Una parte di questa variazione è
ereditaria;
Selezione naturale
Tutte le popolazioni hanno la
potenzialità di popolare l’intera Terra
e lo farebbero se ogni individuo
sopravvivesse e producesse il suo
massimo numero di discendenti;
Differenti individui lasciano
Selezione naturale
Il numero di discendenti che un
individuo lascia dipende, non
totalmente ma essenzialmente,
dall’interazione tra i caratteri
dell’individuo ed il suo ambiente.
Fitness
Se i portatori di un allele hanno in media
una progenie più numerosa dei portatori
di un altro allele (riproduzione
differenziale =
fitness
), la frequenza
dell’allele che conferisce una fitness più
elevata aumenterà nel pool genetico della
popolazione rispetto a quella dell’altro
Adattamento o abattamento?
Dunque gli organismi di una
generazione sono
ab
attati
dagli
ambienti delle generazioni
precedenti.
Gli organismi sembrano
ad
attati
al
loro ambiente presente soltanto
perché gli ambienti presenti
tendono ad essere simili a quelli
passati
Ipotesi GAIA
(Lovelock, 1979)
Lovelock conclude che l’atmosfera terrestre,
per il suo eccezionale contenuto di ossigeno e
povero di anidride carbonica, e le moderate
condizioni di temperatura e di pH sulla
superficie terrestre non possono essere
spiegate senza le attività tamponanti degli
organismi che smorzano le fluttuazioni dei
fattori fisici che si avrebbero in assenza di
sistemi viventi ben organizzati.
Ipotesi GAIA
(Lovelock, 1979)
Gli organismi non soltanto dipendono dal
mondo fisico, ma lo influenzano, talvolta in
modo profondo (es. piante, animali e
microrganismi nello sviluppo del terreno).
L'ambiente abiotico (fattori fisici) controlla
l'attività degli organismi e gli organismi
controllano l'ambiente abiotico in numerosi ed
importanti modi.
Ipotesi GAIA
(Lovelock, 1979)
“ La biosfera è un’entità che si
auto-regola, con la capacità di mantenere il
nostro pianeta in salute attraverso il
controllo dell’ambiente chimico e fisico”
Terra = Superecosistema
La vita sulla Terra dipende
da tre fattori
Flusso unidirezionale di energia
(utilizzabile) di alta qualità
Ciclo della materia o dei nutrienti
Gravità
… quindi
ciascun fattore può essere
individuato come una dimensione. I
diversi fattori che rendono possibile
la vita di un organismo individuano
uno “spazio multidimensionale”, in
cui si verificano i processi vitali
della specie che si definisce “spazio
ecologico”.
Nicchia ecologica
I viventi dipendono oltre che da
risorse materiali ed energetiche,
anche dalle
relazioni con gli altri
organismi
e dalle
variazioni
temporali
.
Nicchia ecologica
viene definita come il ruolo funzionale di
un dato organismo in un ecosistema, essa
comprende
1. Intervallo di tolleranza verso i vari fattori chimici e fisici
2. Le risorse che utilizza, come gli organismi di cui si alimenta
3. Le interazioni con le altre componenti dell’ecosistema (es. organismi con cui compete per le risorse)
4. Il ruolo che gioca nel flusso di energia e nel ciclo della materia
Nicchia ecologica
(Hutchinson, 1957)
La nicchia è uno spazio
multidimensionale o di ipervolume
all’interno del quale l’ambiente
permette ad un individuo o specie di
sopravvivere indefinitamente
Habitat e nicchia ecologica
Habitat
Indirizzo della specie
Nicchia ecologica
Nicchia ecologica
Nicchia fondamentale
ruolo che una
specie avrebbe se non ci fosse
competizione diretta con altre specie
Nicchia realizzata
ruolo che
realmente ricopre una specie in una
comunità
Nicchia ecologica
La coesistenza in un ecosistema di
specie con ruolo funzionale simile ha
portato al concetto di guild
Generalisti e specialisti
I
generalisti
vivono in habitat molto
differenti, necessitano di risorse diverse,
tollerano un’ampia gamma di condizioni
ambientali
