GLI ECOSISTEMI
STRUTTURA E FUNZIONI
Andrea Cristini
Lupini Massimo
Romano Francesco
• L’ ecosistema è il successivo livello di organizzazione
di una popolazione, formato da una comunità di
organismi viventi in un determinato habitat e dal suo
specifico ambiente fisico.
• I principi che regolano gli ecosistemi sono:
1. l’ energia fluisce attraverso gli ecosistemi in una
direzione.
2. I nutrienti sono presenti in una quantità fissa sul
pianeta: essi vengono costantemente riciclati in
flussi circolari interni (cicli biogeochimici) agli
ecosistemi.
IL FLUSSO DELL’ ENERGIA
• L’energia deve essere continuamente alimentata da
una fonte esterna (Sole).
• Dell’ energia solare che investe il nostro pianeta
sotto forma di radiazioni elettromagnetiche:
1. Una parte viene riflessa dall’ atmosfera, dalle nubi e
dalla superficie terrestre.
2. Una parte ancora maggiore viene dissipata come
calore e riscalda la superficie terrestre e l’ atmosfera.
3. Gli organismi hanno a disposizione solo l’ 1% di
energia solare.
4. Di questo 1%, solo gli organismi capaci di compiere la
fotosintesi catturano il 3% di energia.
• Nella fotosintesi le radiazioni luminose vengono assorbite da
pigmenti (clorofilla) per far combinare CO2 e acqua nella sintesi
del glucosio.
• La respirazione cellulare utilizza O2 per demolire le molecole del
glucosio e immagazzinare energia sotto forma di ATP.
• Gli organismi fotosintetici sono detti autotrofi o produttori.
• Gli organismi che dipendono da molecole ricche di energia
elaborate dagli autotrofi sono detti eterotrofi.
La fotosintesi è un produttore primario
• L’ energia che gli organismi fotosintetici
rendono disponibile per la comunità in un
certo tempo è detta produttività primaria
netta: essa determina Il numero di esseri
viventi che un ecosistema può sostenere.
• E’ influenzata da variabili ambientali (fattori)
quali: disponibilità di nutrienti necessari ai
produttori, quantità di luce solare, presenza di
acqua e temperatura.
• E’ misurabile in unità di energia (calorie) per
superficie su tempo (m/s) o peso secco
(biomassa).
• I livelli trofici, o alimentari, sono categorie
che classificano gli esseri viventi secondo la
funzione che svolgono nella trasmissione
dell’energia nelle comunità (modalità
attraverso cui si procurano questa risorsa).
• I produttori formano il primo e più basso
livello trofico, in quanto ricavano l’energia a
loro necessaria direttamente dalla
radiazione solare (e sono in grado di
fabbricare cibo per se stessi) e, in gran parte
dei casi, costituiscono una primaria risorsa
alimentare per altri organismi viventi
(consumatori).
• I consumatori che si nutrono
dei produttori, sono detti
erbivori. Essi sono detti anche
consumatori primari e
formano il secondo livello
trofico.
• I carnivori, cibandosi di
erbivori, sono detti
consumatori secondari e
formano il terzo livello trofico.
• I successivi livelli trofici sono
formati da carnivori che si
nutrono a loro volta di
carnivori, e costituiscono
quindi consumatori terziari,
quaternari, ecc.
Catena alimentare
• La successione lineare dei
rapporti trofici in un ecosistema
è detta catena alimentare:
funziona secondo il principio per
cui un organismo appartenente
ad un determinato livello trofico,
si ciba di organismi dei livelli
sottostanti.
• La rete alimentare è uno schema
che descrive la reale struttura
trofica di una comunità
complessa di organismi,
considerandovi tutte le possibili
iterazioni.
Catena alimentare terrestre e
catena alimentare marina
Rete alimentare di un bosco
• Talvolta risulta difficile stabilire a quali livello
trofico appartenga un organismo, ecco alcuni
esempi:
- Animali onnivori (secondo le circostanze, si
comportano come consumatori primari,
secondari e anche terziari).
- Piante non commestibili.
- Piante insettivore.
•
Gli elementi nutritivi racchiusi nelle spoglie e nei
rifiuti organici, vengono reintrodotte
nell’ecosistema, sotto forma di molecole più
semplici, grazie all’azione di:
1. I detrivori sono animali che consumano materia
organica morta, estraendo parte dell’energia in
essa contenuta ed espellendo la materia in uno
stato di decomposizione ulteriormente avanzato.
2. I decompositori sono organismi che digeriscono il
cibo all’esterno del corpo, assorbendo le sostanze
nutritive di cui hanno bisogno e cedendo materia
inorganica all’ambiente.
• Senza l’apporto di questi esseri il suolo andrebbe
incontro ad un graduale impoverimento, rendedo
impossibile la vita
• Il passaggio di energia dall’ uno all’ altro livello trofico è
piuttosto inefficiente: in gran parte viene infatti dispersa
dagli organismi sotto forma di calore.
Perdita di energia
durante il suo
trasferimento nei vari
livelli trofici nella
comunità di una foresta.
L’ ampiezza delle frecce
è proporzionale alla
quantità di energia
trasferita o persa.
• L’ energia immagazzinata
dai consumatori primari
(erbivori) è
approssimativamente il 10%
dell’ energia immagazzinata
nei produttori. Mentre i
consumatori secondari
(carnivori) ricevono il 10%
dell’ energia depositata nei
consumatori primari.
• L’energia è quindi distribuita
tra i livelli trofici in modo che
da sembrare una piramide,
alla cui base si pongono i
produttori, e si assottiglia
mano che la catena
alimentare prosegue.
• La biomassa è usata da
alcuni ecologi come unità
di misura dell’ energia
immagazzinata dai livelli
trofici. La piramide della
biomassa di solito ha la
stessa forma di quella
dell’ energia.
• Un effetto collaterale
dell’inefficienza della
conversione di energia è
l’accumulo biologico:
fenomeno per cui le
sostanze chimiche
tossiche prodotte
dall’uomo, si
concentrano nel corpo
dei carnivori.
Il DDT (insetticida), è accumulato in minima parte nei
livelli trofici più bassi, ma la sua concentrazione
aumenta nei tessuti degli organismi nei livelli successivi,
fino a risultare nocivo.
IL CICLO DEI NUTRIENTI
• I nutrienti comprendono tutti le sostanze
chimiche di cui sono costituiti gli organismi
(imprescindibili per la vita).
• Quelli necessari in grande quantità sono detti
macronutrienti (acqua, carbonio, ossigeno,
idrogeno, azoto, fosforo, zolfo e calcio).
• Quelli necessari in piccole quantità sono detti
micronutrienti (zinco, ferro e iodio).
• I cicli dei nutrienti o cicli biogeochimici
descrivono i percorsi che queste sostanze
compiono tra le componenti biotiche e quelle
abiotiche degli ecosistemi.
• La fonte principale o serbatoio è rappresentata
dall’ ambiente non vivente.
• I cicli del carbonio e dell’ azoto nell’ atmosfera
(serbatoio) sono detti cicli atmosferici.
• Il serbatoio dei cicli sedimentari è rappresentato
dai sedimenti e dalle rocce nel caso del fosforo.
• nel ciclo dell’ acqua il serbatoio principale è
costituito dagli oceani.
Il ciclo atmosferico del carbonio
• Le catene di atomi del carbonio
formano l’ ossatura delle molecole
organiche. Il carbonio entra nei viventi
durante la fotosintesi e il suo serbatoio
è l’ atmosfera.
• Il carbonio entra nella rete alimentare
grazie ai produttori, con la fissazione
del carbonio nella fotosintesi (come
CO2). Il CO2 dalle piante arriva agli
erbivori che in parte lo inglobano nei
tessuti e i parte lo espirano.
• Con i decompositori e i detritivori il
carbonio ritorna nell’ atmosfera come
CO2.
• Il ciclo del carbonio non è mai troppo
veloce.
• Un ciclo abbastanza lento è quello della
formazione di combustibili fossili.
Il ciclo atmosferico dell’ azoto
• L’ atmosfera è composta per il 79% di azoto
(N2), ma piante e animali non possono usarlo
immedatamente.
• Gli organismi vegetali possono assimilare
azoto, come nitrati (NO3-), ammoniaca (NH3)
e ioni ammonio (NH4+).
• L’ ammoniaca è sintetizzata nella fissazione
dell’azoto da parte dei cianobatteri.
• I batteri azotofissatori formano associazioni
simbiotiche con le leguminose.
• Negli ecosistemi dell’ uomo, ammoniaca e
nitrati sono forniti da fertilizzanti chimici
azotati.
• Nella rete alimentare, una parte dell’ azoto si
libera nei cadaveri e rifiuti, e i batteri la
trasformano in NO3- e NH3+.
• Il ciclo è mantenuto grazie all’ azoto
restituito all’ atmosfera grazie ai batteri
detritificanti.
Il ciclo sedimentario del fosforo
• Il fosforo è essenziale per molecole
biologiche come ATP o ADP, per gli acidi
nucleici e per i fosfolipidi.
• Il serbatoio del fosforo sono le rocce,in cui
esso si trova legato con l’ ossigeno, sotto
forma di fosfati.
• Quando le rocce ricche di fosfati sono
esposte ad agenti meteorici, la pioggia
scioglie i fosfati e li mette in soluzione,
così possono essere assorbiti dalle radici
delle piante e da organismi autotrofi, che
li incorporano in molecole biologiche.
• Dai produttori, il fosforo entra nel rete
alimentare. Il ciclo si conclude con i
decompositori che restituiscono il fosforo
all’ acqua e alla terra come fosfato.
• I fosfati disciolti in acqua finiscono negli
oceani, dove viene assorbito dai
produttori e trasferito ai pesci e
invertebrati.
Il ciclo dell’ acqua (ciclo idrologico)
• Il ciclo dell’ acqua o idrologico è il più
semplice dei cicli perché gran parte
dell’ acqua non subisce trasformazioni
chimiche.
• Il più grande serbatoio d’ acqua è l’
oceano.
• Il ciclo è mosso dall’ energia solare che
fa evaporare l’ acqua, e dalla forza di
gravità, che riporta l’ acqua al suolo
come precipitazioni.
• Il corpo dei viventi è composto per il
70% di acqua, quindi anche gli
ecosistemi rientrano nel ciclo
idrologico.
• L’ acqua è assorbita dalle radici delle
piante e ritorna nell’ atmosfera per
evaporazione grazie alle foglie.
• Gli organismi eterotrofi ricavano l’
acqua dal cibo o bevono direttamente.
INTERFERENZE DELL’ UOMO NEL FLUSSO
DELL’ ENERGIA E NEL CICLO DEI NUTRIENTI
• I combustibili fossili sono rocce sedimentarie
organogene.
• I materiali organici ricoperti da sedimenti argillosi
impermeabili (che fermano la decomposizione operata
dall’ossigeno) si conservano e possono subire una
trasformazione più lunga, rispetto a quanto avviene
per le altre rocce organogene (carbonatiche e silicee).
• Possono originare:
- Carboni fossili (resti di origine vegetale sottoposti
all’azione di batteri anaerobi su fondali salmastri).
- Giacimenti di idrocarburi (sostanze organiche che,
depositatisi sui fondali marini, hanno subito l’azione di
batteri anaerobi).
• I popoli primitivi erano mantenuti in vita
esclusivamente dal flusso di energia proveniente dal
Sole, e producevano rifiuti che l’ambiente poteva
reintrodurre facilmente nel ciclo dei nutrienti.
• Per progresso tecnologico e l’aumento della
popolazione progressivamente ci si è distaccati dai
processi naturali, non più in grado di sostenere le
necessità dell’uomo.
• A partire dalla rivoluzione industriale, a metà
ottocento, gli uomini hanno iniziato ad utilizzare i
combustibili fossili come fonte di energia primaria
• Il ricorso a questi, ha, in massima parte, causato
l’insorgenza di alcuni problemi ambientali.
• Le piogge acide sono causate dal
sovraccarico di due cicli
biogeotermici: ogni anno
vengono infatti scaricate nell’
atmosfera milioni di tonnellate di
biossido di zolfo e di ossidi di
azoto
• Nell’ atmosfera, il SO2 e gli ossidi
di azoto, si combinano con il
vapore acqueo, formando
rispettivamente acido solforico
(H2SO4) e acido nitrico (HNO3).
• Si forma quindi una soluzione,
che ricade al suolo come gocce di
pioggia, o particelle di dimensioni
microscopiche, provocando
diversi danni anche ad edifici e
statue.
Statua danneggiata
dalle piogge acide
• I danni maggiori sono però procurati all’ambiente, in quanto le
piogge acide:
- Aumentano il grado di acidità dei laghi, rendendoli incompatibili
con la vita di molti organismi.
- Interferiscono con la crescita delle piante (le indeboliscono e le
rendono vulnerabili).
- Espongono animali e piante all’azione di alcuni metalli tossici,
solubili in acqua acidificata (alluminio, mercurio, piombo).
• L’effetto serra è prodotto dalle interferenze con il ciclo
del carbonio.
• L’accumulo di CO2 nell’atmosfera è ascrivibile a due
attività umane:
- Impiego dei combustibili fossili.
- Deforestazione su grande scala.
• Come in una serra, la CO2 compie la stessa funzione delle
pareti di vetro: le radiazioni solari la attraversano ma quelle
riflesse dalla terra non riescono ad attraversarla, così l’
atmosfera si riscalda.
• Le conseguenze del surriscaldamaneto globale
sono:
1. Scioglimento delle calotte polari e dei ghiacciai
(aumento del livello del mare);
2. Spostamento delle
fasce climatiche
(variazioni nella
temperatura media e
nella piovosità); da ciò
scaturirebbe:
- Crollo dell’ agricoltura;
- Danni notevoli alle
foreste.
• I combustibili fossili sono risorse energetiche non
rinnovabili, e il loro uso è uno dei fattori responsabili
dell’ inquinamento atmosferico.
• Le fonti dell’ inquinamento sono le centrali
termoelettriche, gli impianti di riscaldamento, impianti
termici, i motori degli autoveicoli.
• Come soluzione si potrebbe:
1. Sviluppare tecnologie ad alto rendimento energetico;
2. Promuovere il ricorso a fonti di energia rinnovabile;
3. Incentivare qualunque forma di risparmio energetico
(riciclaggio dei materiali, congenerazione).
LA BIODIVERSITA’ E LA STABILITA’
DEGLI ECOSISTEMI
• La biodiversità è il numero totale di specie presenti in un
certo sistema e la complessità delle interazioni di queste
specie.
• La perdita di biodiversità ha come conseguenza l’
estinzione di molte specie, infatti:
- Un ecosistema con bassa biodiversità, sostiene un numero
di specie ridotto (può essere facilmente compromesso da
sconvolgimenti ambientali e dall’azione di agenti
patogeni);
- Un ecosistema con alta biodiversità, ospita un grande
numero di individui capaci di tollerare condizioni
ambientali diverse.
• L’ espansione della popolazione umana e dell’
agricoltura comporta una riduzione della
biodiversità: di conseguenza la diminuzione della
stabilità e della produttività degli ecosistemi.
• Alcune specie hanno un ruolo più importante di
altre nel conservare la funzionalità di un
ecosistema, ma talvolta è difficile individuare
quali.