Testi. P. COLINVAUX ECOLOGIA - EDises R. E. RICKLEFS - L' economia della natura E. Zanichelli ODUM ECOLOGIA un ponte tra scienza e società PICCIN

Testi

• P. COLINVAUX – ECOLOGIA - EDises

• R. E. RICKLEFS - L' economia della natura E. Zanichelli

• ODUM – ECOLOGIA un ponte tra scienza e

società – PICCIN

Haeckel (1866)

La scienza comprensiva della relazione dell’organismo con l’ambiente

Charles Elton (1927)

Scienza che si occupa della sociologia ed economia degli animali

Krebs (1972)

Lo studio scientifico delle interazioni che determinano la distribuzione e l’abbondanza degli organismi

(dove, in che numero e perché)

Hutchinson (1970)

La scienza dell’universo

Un formidabile esercizio del pensiero per spiegare come funziona

Il mondo

Condizioni essenziali per la vita sulla terra

Radiazione solare Temperatura

Atmosfera

Magnetosfera

Elementi chimici disponibili

Acqua

Campo magnetico terrestre

Schermo protettivo contro il vento solare (plasma: gas ionizzato formato da protoni elettroni e particelle alfa) Il campo magnetico terrestre fa da scudo alla superficie della Terra dalle particelle cariche del vento solare. È compresso dal lato del giorno (ovvero del Sole) a causa della forza delle particelle in avvicinamento, mentre è esteso dal lato della notte.

Radiazione solare

Fonte energetica derivante da radiazioni di varie lunghezza d'onda ed intensità

Condizioni essenziali per la vita sulla terra Atmosfera

Carbonio gassoso, successivamente ossigeno, protezione contro meteoriti (ozonosfera)

Elementi chimici disponibili

Basi chimiche per la costruzione della materia vivente

Idrogeno Elio

Ossigeno Carbonio Ferro Azoto Silicio Magnesio Zolfo

Acqua

Composto essenziale per il metabolismo

Concetto di “abitabilità planetaria”

Condizioni di temperatura tali da mantenerel’acqua allo stato liquido

Componente primario dei fluidi biologici

Presente nelle cellule di procarioti ed eucarioti Solvente di tutte le biomolecole

Partecipazione attiva alle reazioni biochimiche Reagente principale della fotosintesi

Prodotto finale del metabolismo

Metabolismo

Crescita

Riproduzione

Omeostasi

Interazione con l'ambiente

Adattamento

Kilimanjaro 1993

Emissione gas climalteranti

Kilimanjaro 2003

deforestazione

Perturbazioni sul ciclo dell’acqua

Eccessivo sforzo di pesca

Riduzione della complessità

Gestione errata del patrimonio naturale

inquinamento

Gas ozon-killer

bioinvasioni

Livelli di organizzazione gerarchica

• Atomo

• Molecola

• Macromolecola

• Cellula

• Tessuto

• Organo

Livelli di organizzazione gerarchica

• Individuo

• Popolazione

• Comunità

• Ecositemi

• Biomi

• Biosfera

Ecologia

I PRINCIPALI BIOMI

Ecosistema

Componenti biotici + componenti abiotici

Popolazioni autotrofe Comunità o biocenosi autotrofe Popolazioni etrotrofe

Ecosistemi regionali o subcontinentali

Comunità o biocenosi eterotrofe

Bioma

COMUNITA’

INTEGRAZIONE DI POPOLAZIONI CARATTERIZZATE DA PROCESSI RELAZIONALI

FONTE DI ENERGIA PRIMARIA: IL SOLE

ENERGIA INTEGRATIVA: LA CHEMIOSINTESI

Equilibrio Stazionario

Equilibrio che si automantiene

Ecosfera Biosfera

massimo sistema

ecologico in equilibrio

stazionario

Ecosistema

Unità funzionale di base che include tutti gli organismi che vivono in una determinate area

(comunità biotica) interagenti con l’ambiente fisico

L’energia in entrata porta ad una ben definita

struttura biotica e ad una ciclizzazione dei materiali

tra viventi e non viventi

Componenti fondamentali di un ecosistema

Comunità

Flusso di energia Cicli dei materiali

L’ECOSISTEMA completo deve comprendere ambienti limitrofi di entrata e di uscita.

Sentiero vitale di entrata dell’energia e dei materiali.

Mezzo di esportazione di materiali ed energia.

Modello di ecosistema

(Pattern,1978)

AMBIENTE Altre

fonti AMBIENTE

materiali ed

sole sistema energia

trasformati DI ENTRATA

Materiali ed organismi

AE + S + AU = ecosistema

DI USCITA

Struttura dell’ecosistema

Strato superiore autotrofo (autonutriente)

fascia verde o fotosintetica; fissazione dell’energia luminosa sottoforma di legame chimico tra sostanze inorganiche

semplici per combinarle in sostanze organiche complesse

Strato inferiore eterotrofo (che si nutre di altri)

Utilizzazione, trasformazione, decomposizione della materia

Radiazione solare

Strato autotrofo

Eterotrofi consumatori

Eterotrofi decompositori

parte del prodotto fotosintetico fresco viene utilizzato dai consumatori il resto raggiunge il suolo o il sedimento dove diventa parte di un ben definito sistema eterotrofo

Componenti di un ecosistema

SOSTANZE INORGANICHE COMPOSTI ORGANICI

ARIA, ACQUA, SUBSTRATO PRODUTTORI

MACROCONSUMATORI (I, II,III ordine) MICROCONSUMATORI

DECOMPOSITORI

Produzione globale

Ogni anno sulla terra vengono prodotte approssimativamente

170.000.000.000 t

di sostanza organica per fotosintesi

Una quantità di poco inferiore di sostanza

organica viene ossidata a CO

e H

O

Fotosintesi

la rottura dei legami H-O dell’acqua, la liberazione di ossigeno

la riduzione della CO

a carboidrati

Respirazione

i carboidrati vengono ossidati a CO

e i legami H-O sono ristabiliti.

I cicli del carbonio, dell’ossigeno e

dell’idrogeno sono interconnessi dalla

fotosintesi e dalla respirazione

• Il processo di fotosintesi clorofilliana permette di trasferire il carbonio dalla sua forma ossidata, l'anidride carbonica CO , presente

nell'atmosfera, alla sua forma ridotta (carboidrati), presente nei tessuti delle piante

• le piante costituiscono in peso più del 99% della materia vivente sulla nostra terra.

• Le molecole biologiche, essenzialmente costituite da C, H, N, O, P e S, sono caratterizzate da legami relativamente deboli, o, come si dice, ridotti, cioè ricchi di elettroni.

• Secondo le leggi della termodinamica le reazioni chimiche procedono spontaneamente verso situazioni di minore energia libera, caratterizzate da forti legami chimici e da massimo disordine.

•La materia vivente si mantiene perennemente in uno stato di NON

EQUILIBRIO in quanto le molecole degli organismi viventi continuano ad esistere in presenza di un forte agente ossidante come l'ossigeno

atmosferico che tende ad acquisire elettroni.

•L'evoluzione verso una situazione di equilibrio termodinamico comporterebbe la formazione di CO2 , H²O e NO³ .

•In effetti questo è proprio quello che succede quando gli organismi muoiono.

•Le piante, per mantenersi vive, devono continuamente processare l'energia che viene dal sole per rimanere in una situazione di non

equilibrio termodinamico caratterizzato da strutture altamente ordinate tenute insieme da deboli legami chimici.

il bilancio soprattutto in certe ere geologiche è rimasto a favore della produzione fotosintetica

questo spiegherebbe l’elevata concentrazione di ossigeno sul pianeta

l’eccesso della produzione fotosintetica a partire dal Cambriano (1.600.000.000 anni fa) è stata trasformata in depositi fossili senza essere respirata o decomposta

l’uomo sbilancia i processi respiratori di GAIA

attraverso l’uso dei combustibili fossili

Fotosintesi

CO

+ 2H

O

FOTONI

(CH

O) + H

O + 0

Processo ANABOLICO più diffuso sulla terra

Organismi fotosintetici

BATTERI

ALGHE UNICELLULARI

ALGHE PLURICELLULARI

CORALLI COSTRUTTORI ( simbiosi alga-celenterato ) LICHENI

MUSCHI

PIANTE SUPERIORI:

➢TIPO C

➢TIPO C

➢TIPO CAM

BATTERI

CYANOBACTERIA

Comprende organismi procarioti (batteri) fotosintetici con clorofilla a.

Anabaena lemmermannii (L. di Garda). 200X Microcystis aeruginosa (L. di Garda). 100X

ALGHE UNICELLULARI

CORALLI COSTRUTTORI

( simbiosi alga-celenterato )

LICHENI

BRIOFITE

I primi organismi apparsi sulla terra erano probabilmente fotosintetici;

quasi 3,5 miliardi di anni fa inizia la rimozione del carbonio dall’atmosfera.

Ciò determina :

l’iniezione dell’ossigeno e la creazione di un pianeta ossidato

La protezione dell’ambiente terrestre con la fascia di ozono

La stabilizzazione della temperatura attraverso i gas serra

Il processo di trasformazione dell’atmosfera

probabilmente è durato fino a 300-400 milioni di anni fa

C

MASSIMO TASSO FOTOSINTETICO PER UNITA’ DI SUPERFICIE;

MASSIMA EFFICIENZA IN CONDIZIONE DI LUCE E TEMP MODERATE;

400-1000 g DI ACQUA PER PRODURRE 1 g DI MATERIA SECCA.

C

ADATTATE AD ELEVATE INTENSITA’ DI LUCE E DI TEMPERATURA;

<400 g DI ACQUA PER 1 g DI MATERIA SECCA.

CAM

ADATTATE AI CLIMI ARIDI (RISERVE DI ACQUA E ACIDO CRASSULCEO);

METABOLISMO INTERMITTENTE;

FIORITURA RAPIDA.

Confronto della risposta fotosintetica di piante C

e C

all’incremento dell’intensità di luce e temperatura

Piante C⁴

Piante C³

1 % 50 % 100 %

Intensità luminosa

0° 20° 40°

Temperatura (gradi °C )

Tasso di efficienza fotosintetica

sole

250

200

150

100 50

10 20 30 x 104

25

20

15

10

5

0 10 20 30

0 40 x 10

Intensità luce incidente (erg/sec/cm²,400-700m)

Diffusione della luce attraverso gli strati fogliari

Un albero è una struttura di foglie sovrapposte in strati discontinui attraverso i quali la luce fluisce per aumentare la fotosintesi.

La massima area fogliare è esposta a basse

intensità di luce dove la fotosintesi è più efficiente.

alberi esposti in piena luce dovrebbero avere foglie piccole e disposte in strati e non generare ombra totale al di sotto della chioma; la superficie fogliare sarà più ampia della superficie occupata dalla chioma.

pianta adattata all’ombra dovrebbero avere

foglie larghe e disposte in strati singoli con ombra totale al di sotto di queste; la superficie fogliare sarà simile a quella della chioma.

nelle specie erbacee le foglie inclinate

favoriscono l’esposizione ortogonale alla luce di

bassa intensità e la riflessione della luce a forte

intensità.

Intensità moderate di luce

Massimo assorbimento della CO

Dissipazione del calore

Struttura monostrato Struttura multistrato

Diversi tipi di

sistemi fogliari

Alternative alla fotosintesi

• Chemiosintesi

• Processi di recupero energetico derivanti dalla

rottura di legami chimici

Vulcano di Bransfield (Antartide)

Ecosistemi della fumarole sottomarine “black smokers”

http://it.wikipedia.org/wiki/Fumarola_nera

CONCETTO DI PRODUTTIVITA’

• Produttività primaria = velocità con la quale l’energia solare o chimica viene trasformata in sostanza organica dagli organismi produttori

• P lorda = fotosintesi + respirazione

• P netta = materia organica prodotta al netto della respirazione

• Produzione netta della comunità

• Produttività secondaria

Produttività sulle terre emerse

Produttività primaria negli oceani

L’ecosistema marino produce circa la metà dell’ecosistema terestre pur avendo una biomassa quasi 500 volte più piccola

115 t

10

55 t

10

Biomassa terrestre 1837 t x10

Biomassa

marina

3.9 t x10

Respirazione (catabolismo)

Qualunque ossidazione biologica che produce energia

RESPIRAZIONE AEROBICA L’ossigeno gassoso è accettore di elettroni(ossidante)

PIANTE E ANIMALI

•Inverso della fotosintesi

•La sostanza organica ritorna CO2, H20, con cessione di energia ed emissione di prodotti metabolici che possono essere ancora fonte di energia

RESPIRAZIONE ANAEROBICA Una molecola organica è accettore di elettroni

BATTERI, LIEVITI, MUFFE

•Processi generalmente lenti

•Tendenzialmente hanno un basso consumo di energia e portano ad un elevato accumulo di by-products (metano, idrogeno, solforato, etanolo) che possono essere immediatamente utilizzati dagli aerobici

Catene (reti) alimentari e livelli trofici

Serie di trasferimenti di energia alimentare dagli

autotrofi ad una serie di organismi che consumano e sono a loro volta consumati

Funzione Livello trofico Alimentazione Produttori

Consumatori I Consumatori II Consumatori III Consumatori IV

Primo Secondo

Terzo Quarto

Quinto

Vegetali

Erbivori

Carnivori

Carnivori

Carnivori

Catene alimentari di pascolo

Vegetali Erbivori Carnivori

Catene alimentari di detrito

Materia organica morta

Microrganismi,

detritivori Predatori

Erbivori Predatori

Catena

Luce

solare ^Piante

alimentare di pascolo

Catena

alimentare di detrito

Consumatori di detrito

Predatori

Le catene alimentari di tipo diverso non

possono essere rigidamente separate e si parla pertanto di:

RETI ALIMENTARI

Prima legge

L’energia né si crea né si distrugge,ma si trasforma da una forma all’altra

Seconda legge

Nessun processo che coinvolge un trasferimento di energia avverrà senza il degrado dell’energia da

una forma concentrata ad una forma dispersa (entropia)

Nessuna trasformazione può avere

efficienza del 100%

Efficienza nelle trasformazioni kcal/m 2 ^/anno

10.000.000

Sole

1.000.000

Autotrofi

20.000

C1

2000

C2

C3

Calore

Ad ogni passaggio della rete trofica si ha una perdita di energia potenziale

Più lunga è la catena (maggiore è il numero di passaggi) maggiore sarà la perdita di energia potenziale e minore la produttività netta della comunità

Modelli pluricanalizzati delle catene alimentari Pascolo:

✓Catena alimentare a granivori

✓Catena alimentare a polline

✓Catena alimentare a linfa

✓Catena alimentare a POM/DOM

Decomposizione

Risultante di processi abiotici

AZIONE EROSIVA DELL’ACQUA VENTO GELO-DISGELO

FUOCO

e biotici (preponderanti)

Azione concatenata

•Demolitori (parti consistenti di tessuto)

•Trituratori (frazioni minori)

•Microsaprofagi (particelle o singole molecole)

Aggregati di

PROTEINE ZUCCHERI LIPIDI

HUMUS

SOSTANZE UMICHE

MINERALIZZAZIONE

Nutrienti

anellidi

Sostanza organica actinomycetes insetti

acari pseudoscorpioni

coleotteri

Insetti mites

funghi miriapodi

protozoa platelminti

ditteri

molluschi

nematodi

b a tt e ri chilopodi

crostacei

carabidi

collemboli

carabidi

Organismi della

rete del detrito

Decomposizione della lettiera di una foresta in funzione del contenuto in lignina e delle condizioni climatiche

80

60 AET = evapotraspirazione

40 20 0

25 50

Concentrazione di lignina (%)

Tassoannualedidecomposizione(%)

Il suolo rappresenta la porzione dell’ecosistema terrestre dove si relizzano i processi della decomposizione

A - orizzonti eluviali o di lisciviazione

B – orizzonti illuviali o di deposito

C – substrato pedogenico minerale

DECOMPOSIZIONE IN AMBIENTE ACQUATICO

• il particolato organico che precipita verso il fondo viene in

grandissima parte degradato nella colonna d'acqua medesima e anzi negli strati superficiali.

• La ragione di questo fatto è che la colonna d'acqua ospita

importanti popolazioni di batteri che mineralizzano il particolato organico, rilasciando anidride carbonica e nutrienti.

• la produzione dei batteri nella colonna d'acqua è circa il doppio della produzione dello zooplankton e che circa il 40% della

produzione primaria netta va a rimpiazzare biomassa che è consumata dai batteri.

• circa il 95% del carbonio presente nel particolato organico viene degradato entro una profondità di 3000 m e solo piccole

quantità raggiungono il fondo degli oceani.

• Il processo di decomposizione continua comunque anche nel sedimento di mari e laghi, favorito dalla presenza di una fauna di fondo specializzata nell'utilizzo del detrito .

FUNZIONI CONTROLLATE DALLA DEGRADAZIONE DELLA SOSTANZA ORGANICA

FONTE ENERGETICA DELLA CATENA ALIMENTARE DI DETRITO ( comunità saprofaghe)

CICLIZZAZIONE DEI NUTRIENTI (mineralizzazione della sostanza organica)

FORMAZIONE E MANTENIMENTO DEL SUBSTRATO VITALE (suolo e sedimento)

PRODUZIONE DI ORMONI AMBIENTALI INIBITORI-STIMOLATORI-REGOLATORI (antibiotici, vitamine, amminoacidi, molecole complesse allelopatiche)

CHELAZIONE E COMPLESSAZIONE DEGLI IONI METALLICI( produzione delle sostanze umiche)

Struttura trofica e piramidi ecologiche

La struttura trofica è definita da interazioni tra catene alimentari, metabolismo- dimensione degli individui, perdite e trasferimenti di energia

La struttura trofica viene descritta dalle piramidi ecologiche:

Piramidi di numeri

Piramidi di biomassa

Piramidi di energia