Luca Fiorani
Ecologia ed
educazione
ambientale
Lezione 5
Evoluzione, comunità e
diversità biologica
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
La vita e le sue origini
 Gli
organismi sono procarioti (batteri) o eucarioti
 Procarioti significa "prima del nucleo": i batteri
sono cellule prive di nucleo e organuli
 Tassonomia: la procedura con cui si ottiene la
classificazione degli organismi, ad es. in regni:





moneri (procarioti e microrganismi)
protisti (spesso eucarioti e microrganismi)
funghi (spesso eucarioti e microrganismi)
piante (eucarioti)
animali (eucarioti)
2
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
La vita e le sue origini
 Esempio








(semplificato):
dominio: Eukaryota
regno: Animalia
phylum: Chordata
classe: Mammalia
ordine: Primates
famiglia: Hominidae
genere: Homo
specie: Homo sapiens
3
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La vita e le sue origini
 Batteri:




cianobatteri (fotosintesi)
decompositori
Streptococcus (polmonite)
flora batterica
4
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La vita e le sue origini
 Protisti:








flagellati
parameci
diatomee (fotosintesi)
alcune alghe
detritivori e parassiti
amebe (amebiasi)
plasmodio (malaria)
tripanosoma (malattia
del sonno)
5
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La vita e le sue origini
 Funghi:



funghi commestibili
muffe
fermenti
6
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La vita e le sue origini
 Piante:
pluricellulari e
in genere fotosintetiche





muschi
felci
conifere (gimnosperme)
fiori (angiosperme)
annue/perenni
7
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La vita e le sue origini
 Animali:
pluricellulari e
non fotosintetici


vertebrati: mammiferi,
uccelli, rettili, anfibi, pesci
invertebrati: spugne,
meduse, polipi, planarie,
vermi, artropodi (insetti,
millepiedi, gamberi, ragni),
molluschi (lumache,
vongole, polpi, calamari),
echinodermi (ricci di mare
e stelle marine)
8
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ed educazione ambientale
La vita e le sue origini
I
fossili ci danno
informazioni (lacunose)
 L'evoluzione della vita
e l'evoluzione delle
condizioni fisicochimiche della Terra
sono strettamente
collegate
9
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La vita e le sue origini
 Evoluzione
chimica
delle molecole
organiche, dei
biopolimeri e dei
sistemi di reazioni
chimiche necessarie
per formare le prime
cellule (circa un
miliardo di anni)
10
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La vita e le sue origini
 Evoluzione
biologica
a partire degli
organismi unicellulari
(prima procarioti e poi
eucarioti) fino a quelli
pluricellulari (circa
3.7-3.8 miliardi di anni)
11
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La vita e le sue origini
 Evoluzione


chimica:
4.6-4.7 miliardi di anni fa: condensazione della
nuvola di polvere cosmica primordiale
vulcani e impatti cosmici: formazione di idrosfera e
atmosfera (4.4 miliardi di anni fa): CO2, N2, H2O, CH4,
NH3, H2S, HCl (l'O2 è mantenuto dagli organismi
fotosintetici)
12
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La vita e le sue origini
 Formazione



delle molecole organiche
fulmini, calore (vulcani) e raggi UV hanno favorito la
sintesi di molecole organiche (ipotesi di Oparin,
esperimento di Miller)
origine cosmica (polvere cosmica primordiale,
meteoriti, comete)
bocche idrotermali sottomarine (minerali e calore)
 Formazione
di proteine e acidi nucleici
 Formazione di protocellule
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ed educazione ambientale
Evoluzione e adattamento
 L'evoluzione
biologica è la risposta adattiva degli
organismi ai cambiamenti delle condizioni
ambientali, attraverso cambiamenti genetici
delle popolazioni (non degli individui)
 Secondo la teoria dell'evoluzione le specie
discendono da altre più primitive, spiegando
cambiamenti nel tempo e diversità attuale:


microevoluzione: piccoli cambiamenti in una
popolazione
macroevoluzione: cambiamenti su larga scala e a
lungo termine (speciazione ed estinzione)
14
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ed educazione ambientale
Evoluzione e adattamento
 Microevoluzione:




sviluppo della variabilità genetica: il pool genico
(insieme dei geni degli individui di una
popolazione) cambia nel tempo
generalmente un gene si presenta in due forme
(alleli). Es.: il gene "colore dei capelli" si presenta
come "allele capelli chiari" e "allele capelli scuri"
la riproduzione sessuale porta ad una
combinazione casuale di alleli, diversa per ogni
individuo (alleli dominanti e recessivi, genotipo e
fenotipo)
senza variabilità genetica non c'è evoluzione
15
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ed educazione ambientale
Evoluzione e adattamento


lo sviluppo della variabilità genetica avviene
attraverso mutazioni, cambiamenti nel DNA
una mutazione può avvenire in seguito a:
 esposizione
a radioattività, raggi X, sostanze chimiche
naturali o antropiche (mutagene)
 errori casuali di trascrizione del DNA durante la
riproduzione (solo le mutazioni dei gameti –
spermatozoo e ovocita – sono trasmesse)


le mutazioni possono essere dannose (anche letali),
indifferenti e vantaggiose
le mutazioni sono rare, casuali/imprevedibili e unica
fonte di nuovo materiale genetico
16
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ed educazione ambientale
Evoluzione e adattamento

se in una popolazione:
 c'è
variabilità genetica
 le nuove caratteristiche sono ereditabili (base
genetica)
 le nuove caratteristiche implicano una riproduzione
differenziata (maggior numero di discendenti)


avviene l'evoluzione per selezione naturale
le nuove caratteristiche sono chiamate
adattamento o carattere adattativo
riassumendo, la microevoluzione consiste in
mutazione dei geni, selezione degli individui,
evoluzione delle popolazioni
17
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ed educazione ambientale
Evoluzione e adattamento
 Es.



di microevoluzione (falena Biston betularia):
due colorazioni
(variabilità
genetica)
colorazioni
ereditarie
(ereditarietà del
carattere)
una colorazione
è favorita
(riproduzione
differenziata)
18
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ed educazione ambientale
Evoluzione e adattamento
 Coevoluzione:
un adattamento in una specie
induce una risposta adattativa nelle specie con
cui interagisce (ad es.: predatori e prede)
 L'adattamento non è illimitato:


un cambiamento ambientale può favorire
caratteristiche genetiche già presenti nel pool
genico
la capacità di adattamento è limitata dalla velocità
riproduttiva
 La
selezione naturale prevede la morte e
l'impossibilità di riprodursi
19
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ed educazione ambientale
Evoluzione e adattamento
 La
sopravvivenza del più adatto non è del più
forte ma di quello che si riproduce di più: non
lotta, ma assenza di competizione diretta e
occupazione di una nicchia ecologica vuota
 Gli umani non si sono evoluti dalle scimmie
antropomorfe (esiste invece un antenato
comune)
 L'evoluzione non segue un disegno naturale
diretto a realizzare organismi più perfetti (punto di
vista scientifico)
20
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ed educazione ambientale
Speciazione, estinzione e biodiversità
 Speciazione:
formazione di specie nuove a
partire da una specie iniziale
 La speciazione allopatrica ha luogo in due fasi:


isolamento geografico (formazione di una barriera
geografica, emigrazione, trasporto passivo da vento
o correnti)
isolamento riproduttivo (le mutazioni e la selezione
naturale producono una divergenza genetica,
finché un maschio e una femmina delle due nuove
specie non possono riprodursi o generano prole
sterile)
21
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ed educazione ambientale
Speciazione, estinzione e biodiversità
A
questo punto si sono formate due nuove specie
per divergenza evolutiva
 La speciazione richiede centinaia/milioni di anni
 Es.: volpe artica e volpe comune
22
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ed educazione ambientale
Speciazione, estinzione e biodiversità
 Quando
cambiano le condizioni ambientali, una
specie può evolvere o estinguersi
 Speciazioni ed estinzioni sono state influenzate
da:



deriva dei continenti
cambiamenti climatici lenti (ad es.: variazione
dell'inclinazione dell'asse terrestre)
cambiamenti climatici rapidi (ad es.: eruzioni e
meteoriti)
 L'estinzione
è il destino di ogni specie (le specie
attuali sono lo 0.1% delle specie esistite)
23
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ed educazione ambientale
Speciazione, estinzione e biodiversità
24
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ed educazione ambientale
Speciazione, estinzione e biodiversità
 Un
certo numero di specie si estingue
regolarmente: estinzione basale
 Se c'è un improvviso aumento del tasso di
estinzione, si parla di estinzione di massa
 Una crisi per una specie può essere
un'opportunità per un'altra
 In media la speciazione ha tenuto testa
all'estinzione: le estinzioni di massa sono state
seguite da periodi di ripresa rapida della
biodiversità (radiazione adattativa) con
occupazione di nicchie nuove o vacanti
25
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Speciazione, estinzione e biodiversità
26
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Speciazione, estinzione e biodiversità
 Radiazione
adattativa dei mammiferi
27
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ed educazione ambientale
Speciazione, estinzione e biodiversità
 L'uomo
è causa di estinzione
 Nei prossimi 50 anni potrebbe estinguersi un
quarto delle specie (sesta estinzione di massa)
 Il recupero della biodiversità richiederà milioni di
anni
 L'ingegneria genetica non potrà aiutare perché
non crea nuovi geni ma combina quelli forniti
dalla biodiversità naturale
 Alcuni scienziati temono che questo processo
minacci l'umanità
28
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ed educazione ambientale
Nicchie ecologiche e tipologia delle
specie
 La
nicchia ecologica di una specie descrive il
suo modo di vita e le sue funzioni, includendo gli
aspetti relativi alla sopravvivenza e alla
riproduzione, includendo in particolare:




l'intervallo di tolleranza verso i fattori fisico-chimici
le risorse che utilizza e gli organismi di cui si
alimenta
le interazioni con le altre componenti
dell'ecosistema, ad es. gli animali con cui compete
il ruolo che gioca nel flusso di energia e nel ciclo
della materia nell'ecosistema
29
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Nicchie ecologiche e tipologia delle
specie
 Non
confondiamo nicchia e habitat (luogo in cui
vive la specie): la nicchia è la "professione",
l'habitat è l' "indirizzo"
 Due specie non possono occupare la stessa
nicchia: o una si estingue o entrambe
diversificano la propria nicchia
30
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ed educazione ambientale
Nicchie ecologiche e tipologia delle
specie
 La
nicchia fondamentale (o potenziale) è quella
che una specie occuperebbe se non ci fossero
competitori
 Siccome le nicchie si sovrappongono
parzialmente, una specie occupa solo una parte
della sua nicchia fondamentale, detta nicchia
realizzata (o reale)
 Comprendere la nicchia ci aiuta a capire
l'impatto delle nostre attività su una specie,
prevenendone l'estinzione
31
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Nicchie ecologiche e tipologia delle
specie
 Le
specie generaliste possono vivere in habitat
differenti e mangiare cibi diversi (mosche, blatte,
topi, ratti, volpi, cinghiali, uomini)
 Le specie specialiste possono vivere in pochi
habitat, tollerano ristretti intervalli di fattori
ecologici o possiedono una dieta ristretta:




salamandra tigre: si riproduce solo negli stagni privi
di pesci
picchi: vivono nei vecchi tronchi (nido e cibo)
ghepardo: vive nella savana dove trova le antilopi
panda: mangia quasi soltanto bambù
32
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ed educazione ambientale
Nicchie ecologiche e tipologia delle
specie
È
meglio essere generalista o specialista?
Dipende: quando le condizioni ambientali si
mantengono costanti gli specialisti sono
avvantaggiati, negli ecosistemi instabili si
adattano meglio i generalisti
33
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Nicchie ecologiche e tipologia delle
specie
 Analizzando
gli ecosistemi, possiamo incontare
differenti categorie di specie:




specie indigene (autoctone)
specie aliene (alloctone)
specie indicatrici
specie chiave
 Le
specie indigene hanno raggiunto un'area in
modo naturale (camminando, nuotando, volando
o attraverso semi, spore, uova trasportati da
vento e correnti)
34
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Nicchie ecologiche e tipologia delle
specie
 Le
specie aliene sono deliberatamente o
involontariamente introdotte dall'uomo: possono
entrare in competizione con le specie indigene
causandone l'estinzione (ad es.: api assassine)
 Le specie indicatrici forniscono informazioni sulla
qualità dell'ambiente (ad es.: uccelli insettivori
canori, ridotti da deforestazione, frammentazione,
inquinamento e bonifiche)
 Le specie chiave hanno particolare importanza
(ad es.: insetti, pipistrelli, formiche e colibrì
impollinano e disseminano le foreste tropicali)
35
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Interazioni tra specie
 Quando
differenti specie frequentano lo stesso
habitat o sfruttano risorse simili possono interagire
fra loro (in modo vantaggioso, svantaggioso o
indifferente)
 Relazioni interspecifiche:





competizione
predazione
parassitismo
mutualismo
commensalismo
36
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ed educazione ambientale
Interazioni tra specie
 Se
le nicchie fondamentali di due specie si
sovrappongono molto, si ha competizione
interspecifica e una delle specie può:




emigrare in un'altra area
cambiare le sue abitudini alimentari o
comportamentali
subire un crollo di popolazione
estinguersi localmente o globalmente
37
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ed educazione ambientale
Interazioni tra specie
 Se
le specie evolvono in modo da ridurre la
sovrapposizione delle loro nicchie fondamentali,
si parla di ripartizione delle risorse: la stessa
risorsa può essere utilizzata in diversi momenti,
diversi ambienti e diversi modi
38
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ed educazione ambientale
Interazioni tra specie
 L'ecologo
Robert H. MacArthur ha
studiato le abitudini alimentari di cinque
specie di passeriformi che convivono
nelle foreste degli Stati Uniti nordorientali:
pur trovandosi in competizione per le
stesse risorse alimentari (insetti che vivono
sugli alberi), riducono la loro
competizione predando in zone diverse
39
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Interazioni tra specie
I
predatori:




uccidono le prede, divorandone il corpo
(interamente o parzialmente)
possono essere di taglia superiore o inferiore (ma
non vivono sulle prede o al loro interno)
hanno vantaggio (e le prede svantaggio)
il rapporto predatore-preda è importante: se i
rapaci non limitassero la popolazione dei conigli,
questi aumenterebbero troppo, distruggendo la
vegetazione per poi morire di fame
40
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Interazioni tra specie
 Il
parassitismo è quella forma di interazione in cui
il parassita si nutre di una piccola parte dell'ospite
vivendoci sopra (ectoparassiti) o dentro
(endoparassiti)
 Il parassita ha vantaggio (e l'ospite svantaggio)
 Il parassita:




è generalmente più piccolo dell'ospite
è strettamente associato all'ospite
rende debole, sterile o malato l'ospite (raramente lo
uccide)
esercita una funzione di controllo della popolazione
41
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Interazioni tra specie
 Il
mutualismo o simbiosi mutualistica è quella
forma di interazione in cui entrambe le specie
hanno vantaggio. Es.:



api e fiori (le api ricevono
nutrimento, i fiori trasporto
del polline)
licheni (l'alga fotosintetizza,
il fungo protegge dalla
disidratazione)
uomo e flora intestinale (l'uomo fornisce un
ambiente stabile e ricco di cibo, la flora intestinale
favorisce la digestione e sintetizza le vitamine B e K)
42
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Interazioni tra specie


bufaghe e rinoceronti (le bufaghe mangiano insetti
ectoparassiti e allarmano, i rinoceronti proteggono)
pesci pagliaccio e anemoni marine (i pesci
ricevono protezione e cibo, le anemoni protezione,
pulizia e attrazione di prede)
43
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ed educazione ambientale
Interazioni tra specie
 Il
commensalismo è un'interazione vantaggiosa
per una specie e indifferente per l'altra. Es.:


orchidee e alberi
(le orchidee
ricevono una base
solida e una
posizione elevata
da cui raccogliere
luce e acqua)
piante epifite (che
vivono su altre
piante)
44
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Successione ecologica
 La
successione ecologica è il cambiamento
graduale e costante nella composizione delle
specie in un'area
 L'importanza delle specie varia nella successione
 La successione primaria riguarda lo stabilirsi di
comunità biotiche in aree prive di vita
 La successione secondaria riguarda il ristabilirsi di
comunità biotiche in aree che hanno subito
perturbazioni
45
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Successione ecologica
 Successione




primaria (migliaia di anni):
suolo (miscuglio di roccia, materia
organica, aria, acqua e
microrganismi)
specie pioniere (microbi,
muschi, licheni)
erbe,
piante
grasse,
arbusti
alberi
46
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Successione ecologica
 Successione
secondaria
(resta il suolo):


specie pioniere (poche
settimane)
es.: aree disboscate,
coltivate e abbandonate
47
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Successione ecologica
I
cambiamenti nella struttura della vegetazione
(cibo e rifugio) implicano trasformazioni nella
comunità animale
 Es.: area temperata del Nordamerica
48
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Successione ecologica
 Stadi
di una successione
49
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Successione ecologica
 L'agricoltura
intensiva sostituisce una comunità
ricca di specie con una povera (monocoltura)
regredendo a uno stadio primitivo della
successione ecologica
 La competizione con altre piante è ridotta con gli
erbicidi
 La presenza di insetti o altri animali è controllata
con i pesticidi
50
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Successione ecologica
 La
successione ecologica è una sequenza
ordinata di stadi prevedibili, sempre più stabili,
fino alla comunità climax, dominata da poche
piante longeve, spesso alberi (fitosociologia)
 Non sempre la successione ecologica è
prevedibile: si tratta della competizione tra
specie per le risorse (spazio, luce e cibo)
 Alcuni ecologi preferiscono cambiamento
biologico a successione ecologica e comunità
matura a comunità climax
51
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Stabilità e tolleranza ecologica
 Tutti
i sistemi viventi si basano su retroazioni (+ e -)
che interagiscono fornendo una certa stabilità
 Cambiamenti dei sistemi viventi rispondono ai
cambiamenti dell'ambiente
 Si distinguono tre aspetti della stabilità:



inerzia (o resistenza o persistenza): capacità di
resistere ai disturbi, senza mutamento
costanza: capacità di mantenersi proporzionato alle
risorse disponibili
resilienza: capacità di rispondere ai disturbi,
recuperando in breve tempo
52
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Stabilità e tolleranza ecologica
 Le
popolazioni, le comunità e gli ecosistemi sono
complessi (e poco capiti)
 Sintomi di malessere:
abbassamento della produttività primaria
 diminuzione dei nutrienti
 declino/estinzione delle specie considerate
bioindicatrici
 aumento degli insetti nocivi e dei vettori di malattie
 declino della biodiversità
 presenza di sostanze contaminanti

53
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Stabilità e tolleranza ecologica
 Spesso
i sistemi biologici rispondono in ritardo e
l'alterazione può essere irreversibile quando
appare (es.: fumatore)
 Es. di possibili alterazioni irreversibili:






crescita eccessiva della popolazione umana
accumulo di rifiuti tossici
esaurimento dell'ozono stratosferico
riscaldamento globale
deforestazione
riduzione numerica di una specie in estinzione
54
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Stabilità e tolleranza ecologica
 Un'interazione
sinergetica avviene quando due o
più processi interagiscono in modo che l'effetto
risultante sia più grande della somma degli effetti
singoli
 Es.: una persona da sola può sollevare 45 kg, in
gruppo 90 kg
 La sinergia aumenta l'effetto dei meccanismi di
retroazione positiva
 Dovremmo accelerare sinergismi favorevoli e
ostacolare quelli nocivi
55
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Stabilità e tolleranza ecologica
 Ipotesi:
un ecosistema con elevata biodiversità e
numerose catene alimentari è più stabile
 Esiste una soglia minima di biodiversità (alcune
piante e alcuni decompositori sono necessari)
 È difficile dire se gli ecosistemi semplici sono
meno stabili di quelli complessi (ruoli ecologici
ridondanti di alcune specie in sistemi complessi)
 Gli ecosistemi più complessi hanno maggiore
produttività primaria e resilienza
56
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Stabilità e tolleranza ecologica
 Le
foreste pluviali hanno elevata biodiversità e
resistenza, ma bassa resilienza (resistono molto
agli incendi ma, se seriamente degradate, non si
riprendono)
 Le praterie hanno bassa biodiversità e resistenza,
ma elevata resilienza (prendono fuoco
facilmente ma si riprendono rapidamente, grazie
al potenziale rigenerativo delle loro radici)
 In realtà gli ecosistemi non sono (quasi?) mai in
equilibrio ma (quasi?) sempre in continuo
cambiamento
57
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Stabilità e tolleranza ecologica
 La
ricchezza di specie è legata alla dimensione
spaziale e al grado di isolamento di un
ecosistema
 Gli ecologi Robert H. MacArthur e Edward O.
Wilson hanno proposto il modello dell'equilibrio
insulare o la teoria della biogeografia insulare: il
numero di specie in un'isola dipende da due
fattori:


tasso di immigrazione di specie provenienti dal
continente o da altre isole
tasso di estinzione di specie dell'isola
58
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Stabilità e tolleranza ecologica
 Il
modello dell'equilibrio insulare prevede un
punto di equilibrio che determina il numero
medio di specie che può vivere in un'isola
 I tassi di immigrazione ed estinzione dipendono
da superficie dell'isola e distanza dal continente
59
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Stabilità e tolleranza ecologica
 "L'interdipendenza
e le connessioni sono
caratteristiche essenziali che riguardano sia la
componente vivente sia quella non vivente dei
singoli sistemi e di tutta la biosfera."
60
Luca Fiorani – Ecologia
ed educazione ambientale
Fine della lezione…
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