Luca Fiorani
L’uomo,
i viventi,
l’ambiente
Lezione 4
Ecosistemi e loro
funzionamento:
collegamenti in natura
Luca Fiorani – L’uomo,
i viventi, l’ambiente
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.
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i viventi, l’ambiente
L'ecologia e la vita
 Organismo
 Specie
(stimate
5-100 milioni,
note 1.8 milioni)
 Popolazione
(diversità genetica)
 Comunità (habitat)
 Ecosistema
 Biosfera o ecosfera
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i viventi, l’ambiente
L'ecologia e la vita
 Farfalle
monarca ed euforbia
 Diversità genetica nella chiocciola dei Caraibi
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i viventi, l’ambiente
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)
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i viventi, l’ambiente
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
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i viventi, l’ambiente
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)
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i viventi, l’ambiente
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)
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i viventi, l’ambiente
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)
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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
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i viventi, l’ambiente
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
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Concetti e componenti
dell'ecosistema
 Ecosistema
d'acqua dolce
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Concetti e componenti
dell'ecosistema
 Ecosistema
in un campo
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Concetti e componenti
dell'ecosistema
 Ambito
di tolleranza ai componenti abiotici
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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
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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
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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)
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Concetti e componenti
dell'ecosistema
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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
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i viventi, l’ambiente
Concetti e componenti
dell'ecosistema
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i viventi, l’ambiente
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
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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
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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
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Collegamenti: reti alimentari e flusso di
energia nell'ecosistema
Ecosistema acquatico
Silver Spring
Unità: kcal m-2 y-1
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Collegamenti: reti alimentari e flusso di
energia nell'ecosistema
 Piramide
di biomassa
 Piramide dei numeri
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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
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i viventi, l’ambiente
Collegamenti: reti alimentari e flusso di
energia nell'ecosistema
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i viventi, l’ambiente
Collegamenti: reti alimentari e flusso di
energia nell'ecosistema
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Luca Fiorani – L’uomo,
i viventi, l’ambiente
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
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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
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Il ciclo della materia nell'ecosistema
 Ciclo
dell'acqua
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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)
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Il ciclo della materia nell'ecosistema
 Ciclo
del carbonio
 Mediante CO2 regola il clima
 Impatti: combustibili fossili e deforestazione
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Il ciclo della materia nell'ecosistema
 Ciclo
dell'azoto
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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)
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Il ciclo della materia nell'ecosistema
 Ciclo
del fosforo
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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)
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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
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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
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i viventi, l’ambiente
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
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Luca Fiorani – L’uomo,
i viventi, l’ambiente
Fine della lezione…
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