Luca Fiorani Ecologia ed educazione ambientale Lezione 4 Ecosistemi e loro funzionamento: collegamenti in natura Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale L'ecologia e la vita Come abbiamo già visto, la parola ecologia deriva dal greco οίκος (oikos) e λόγος (logos) e significa quindi studio dell’ambiente. Il termine risale al 1866, quando Ernst Haeckel lo definì come l’indagine delle relazioni di un animale con il suo contesto che, secondo Darwin, sono le condizioni della lotta per l’esistenza. 2 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale L'ecologia e la vita Organismo Specie (stimate 5-100 milioni, note 1.8 milioni) Popolazione (diversità genetica) Comunità (habitat) Ecosistema Biosfera o ecosfera 3 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale L'ecologia e la vita Farfalle monarca ed euforbia Diversità genetica nella chiocciola dei Caraibi 4 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale L'ecologia e la vita Che cos'è la vita? gli organismi viventi sono formati da cellule che hanno strutture interne e funzioni altamente organizzate (dai batteri in su) gli organismi viventi hanno molecole di DNA tipico in ciascuna cellula gli organismi viventi catturano e trasformano la materia e l'energia dall'ambiente per soddisfare le loro necessità per la sopravvivenza, la crescita e la riproduzione (metabolismo) 5 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale L'ecologia e la vita gli organismi viventi mantengono condizioni interne favorevoli nonostante i cambiamenti nell'ambiente esterno, se questo non è stressato gli organismi viventi si perpetuano attraverso la riproduzione, cioè la produzione di figli da parte di uno o più genitori (riproduzione asessuata e sessuale) gli organismi viventi si adattano ai cambiamenti delle condizioni ambientali attraverso il processo di evoluzione 6 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale I sistemi che sostengono la vita sulla Terra Atmosfera (troposfera, stratosfera) Idrosfera (criosfera) Litosfera Biosfera o ecosfera Noosfera (Pierre Teilhard de Chardin, paleontologo e teologo) 7 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale I sistemi che sostengono la vita sulla Terra La vita sulla Terra dipende da tre fattori: flusso di energia di alta qualità dal Sole (torna nello spazio come energia di bassa qualità) ciclo della materia (apporto trascurabile dallo spazio) gravità (trattiene l'atmosfera e garantisce i cicli) 8 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale I sistemi che sostengono la vita sulla Terra Il Sole: fornisce l'energia per la fotosintesi alimenta il ciclo della materia guida i sistemi climatici (distribuzione di calore e acqua dolce sulla superficie terrestre) riscalda l'atmosfera (effetto serra naturale) 9 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Concetti e componenti dell'ecosistema Bioma: vasta regione caratterizzata da condizioni climatiche e forme di vita, specialmente vegetali (foresta, prateria, deserto…) Zone di vita acquatica 10 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Concetti e componenti dell'ecosistema Bioma: contiene molti ecosistemi Ecosistema: comprende componenti abiotici (acqua, aria, nutrienti ed energia solare) e biotici (microorganismi, piante, animali) Biota: insieme dei componenti biotici 11 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Concetti e componenti dell'ecosistema Ecosistema d'acqua dolce 12 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Concetti e componenti dell'ecosistema Ecosistema in un campo 13 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Concetti e componenti dell'ecosistema Ambito di tolleranza ai componenti abiotici 14 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Concetti e componenti dell'ecosistema Legge della tolleranza: 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 tolleranza In altre parole ci sono limiti minimi e massimi per le condizioni fisiche e chimiche (limiti di tolleranza) oltre i quali nessun organismo di una specie può sopravvivere 15 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Concetti e componenti dell'ecosistema Molti fattori influiscono su una popolazione Il fattore limitante è quello più importante Principio del fattore limitante: qualsiasi fattore abiotico in dosi troppo piccole o troppo grandi può limitare o impedire la crescita di una popolazione, anche se tutti gli altri fattori sono nell'ambito ottimale di tolleranza Es.: terreno con acqua, azoto, potassio… a livelli ottimali ma privo di fosforo: il grano non cresce (anche il troppo stroppia!) Ecosistemi marini: O2 disciolto, nutrienti, salinità 16 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Concetti e componenti dell'ecosistema Gli organismi sono produttori o consumatori I produttori (autotrofi) ottengono il cibo dai composti dell'ambiente con la fotosintesi: 6 CO2 + 6 H2O + energia solare → C6H12O6 + 6 O2 o dalla chemiosintesi (senza energia solare) I consumatori (eterotrofi) sono erbivori (consumatori primari), carnivori (secondari se si nutrono solo di primari, terziari se si nutrono solo di altri carnivori), onnivori, saprofagi, detritivori e decompositori (mangiano tutto ciò che è biodegradabile e chiudono il ciclo dei composti) 17 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Concetti e componenti dell'ecosistema 18 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Concetti e componenti dell'ecosistema Respirazione aerobica (respirazione): C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energia Respirazione anaerobica (fermentazione): C6H12O6 (o altri composti organici) → metano, alcol etilico, acido acetico, acido solfidrico + energia Un organismo dipende dal flusso di materia e di energia L'ecosistema dipende dalla ricircolazione di materia e dal flusso di energia Importanza dei decompositori 19 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Concetti e componenti dell'ecosistema 20 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema La sequenza di organismi, ciascuno dei quali è fonte di cibo per il successivo, è chiamata catena alimentare La catena alimentare determina il flusso di materia e di energia Livello trofico 21 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema Gli ecosistemi reali sono più complessi: i consumatori mangiano e sono mangiati da più di un organismo Rete alimentare: insieme delle catene alimentari Rimangono i livelli trofici 22 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema Ciascun livello trofico contiene biomassa (materia organica secca) L'energia è trasferita da un livello all'altro (parte è dispersa come calore) Efficienza ecologica: se è il 10% e le piante di un ecosistema catturano 10,000 kcal, 1000 saranno disponibili per gli erbivori e 100 per i carnivori Piramide del flusso di energia Se consumassimo più vegetali, la Terra potrebbe sostenere una popolazione maggiore 23 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema Ecosistema acquatico Silver Spring Unità: kcal m-2 y-1 24 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema Piramide di biomassa Piramide dei numeri 25 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema Produttività primaria lorda (PPL): velocità con cui i produttori usano la fotosintesi per far aumentare la loro biomassa Produttività primaria netta (PPN): PPL meno la velocità con cui i produttori usano la respirazione per la vita (riducendo la loro biomassa) La produttività primaria si misura in g m-2 y-1 La PPN della Terra ne determina la capacità portante per tutte le specie 26 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema 27 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema 28 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema Dovremmo coltivare estuari, paludi e foreste pluviali? Probabilmente non funzionerebbe: ad es., nelle foreste pluviali, il suolo è povero Il terreno agricolo, nonostante i fertilizzanti, non è il più produttivo L'umanità usa, spreca o distrugge circa il 40% della PPN degli ecosistemi terrestri: se la popolazione raddoppiasse, non resterebbe molto alle altre forme di vita 29 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Il ciclo della materia nell'ecosistema Un nutriente è qualsiasi atomo, ione o molecola necessario a un organismo per vivere, crescere o riprodursi Alcuni elementi (C, O, H, N, P, S, Ca) sono necessari in grandi quantità, altri (Na, Zn, Cu, I) in misura minore I nutrienti sono riciclati nei cicli dei nutrienti o cicli biogeochimici (connessione passato-futuro) I cicli biogeochimici sono alimentati dall'energia solare e guidati dalla gravità 30 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Il ciclo della materia nell'ecosistema Ciclo dell'acqua 31 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Il ciclo della materia nell'ecosistema Umidità assoluta e relativa Nuclei di condensazione (ceneri vulcaniche, sali marini, particolato industriale…) Punto di rugiada Modellazione del paesaggio Impatti: prelievo (esaurimento della falda, salinizzazione…) disboscamento (erosione, inondazioni, impoverimento della falda…) inquinamento (eutrofizzazione) 32 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Il ciclo della materia nell'ecosistema Ciclo del carbonio Mediante CO2 regola il clima Impatti: combustibili fossili e deforestazione 33 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Il ciclo della materia nell'ecosistema Ciclo dell'azoto 34 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Il ciclo della materia nell'ecosistema Impatti: emissione di NO (bruciando i combustibili) che si trasforma in NO2 e in HNO3 (piogge acide: alterazione dei sistemi acquatici, proliferazione delle erbacce, degradazione dei monumenti…) emissione di NO2 (batteri che agiscono sui rifiuti) gas serra e killer dell'ozono rimozione dalla crosta terrestre (miniere) rimozione dal suolo (bruciando, disboscando, irrigando) immissione nelle acque (eutrofizzazione) 35 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Il ciclo della materia nell'ecosistema Ciclo del fosforo 36 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Il ciclo della materia nell'ecosistema I batteri sono meno importanti Poco fosforo circola in atmosfera (polvere) Il ciclo è lento Il fosforo è presente sotto forma di sali fosfatici nelle rocce e nei sedimenti Il fosforo è spesso un fattore limitante Impatti: estrazione mineraria deforestazione e dilavamento immissione nelle acque (eutrofizzazione) 37 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Il ciclo della materia nell'ecosistema Ciclo dello zolfo Lo zolfo è presente sotto forma di solfati nelle rocce e nei sedimenti Circa un terzo dello zolfo atmosferico è antropico Impatti: immissione (piogge acide) bruciando i combustibili fossili raffinando il petrolio producendo i metalli 38 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Come fanno gli ecologi a conoscere gli ecosistemi? Ricerca sul campo: "biologia degli stivali fangosi", anche con telerilevamento e GIS Ricerca in laboratorio: osservando un ecosistema modello si scompone la complessità (esperimenti controllati) e si analizza la causalità Analisi dei sistemi: sviluppo di modelli al computer che simulano i sistemi, riproducendone la complessità L'analisi dei sistemi necessita della ricerca in laboratorio e deve essere validata sul campo 39 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale I servizi dell'ecosistema e la sostenibilità Gli ecosistemi forniscono servizi all'uomo (capitale naturale): diversità genetica, specifica ed ecologica (la biodiversità è la polizza naturale contro i disastri) aria, acqua, cibo, energia, materie prime, sostanze chimiche… (centinaia di miliardi di $) riciclaggio, purificazione, controllo degli infestanti Gli ecosistemi raggiungono la sostenibilità: usando l'energia solare (rinnovabile) riciclando i nutrienti 40 Luca Fiorani – Ecologia ed educazione ambientale Fine della lezione… 41