Capitolo 28 Le comunità gli ecosistemi Copyright © 2006 Zanichelli editore e La struttura delle comunità 28.1 Una comunità comprende tutti gli organismi che vivono in una data area Una comunità biologica è l’insieme di tutte le popolazioni di organismi che vivono in un determinato territorio, abbastanza vicini per poter interagire tra loro. Figura 28.1 Copyright © 2006 Zanichelli editore I parametri che caratterizzano ciascuna comunità sono: • la diversità delle specie; • le specie dominanti; • il tipo di reazioni alle perturbazioni; • la struttura trofica. Copyright © 2006 Zanichelli editore 28.2 La competizione è causata dalla condivisione di una risorsa limitata • La competizione interspecifica si verifica tra due specie che concorrono per la stessa risorsa limitata. • La nicchia ecologica di una specie è definita come il suo ruolo nell’uso complessivo delle risorse biotiche e abiotiche. Copyright © 2006 Zanichelli editore Il principio di esclusione competitiva stabilisce che due popolazioni di specie diverse non possano coesistere in una stessa comunità se le loro nicchie sono identiche. Alta marea Chthamalus Nicchia di Chthamalus Balanus Nicchia di Balanus Oceano Bassa marea Figura 28.2A Copyright © 2006 Zanichelli editore Per selezione naturale, specie concorrenti possono modificare leggermente le proprie nicchie e giungere a una ripartizione delle risorse che permette loro di convivere in una stessa comunità. A. ricordii A. insolitus A. aliniger A. distichus A. christophei A. cybotes A. etheridgei Figura 28.2B Copyright © 2006 Zanichelli editore A. insolitus si apposta sui rami ombrosi. A. distichus si apposta su superfici assolate. 28.3 La predazione induce l’evoluzione di adattamenti sia nei predatori sia nelle prede • La predazione è un’interazione tra organismi in cui una specie, il predatore, si nutre di un’altra, la preda. • Prede e predatori per selezione naturale possono evolvere adattamenti particolari. Copyright © 2006 Zanichelli editore Il mimetismo critpico (camuffamento) e la difesa chimica sono strategie difensive delle prede contro la predazione. Figura 28.3A Copyright © 2006 Zanichelli editore Figura 28.3B Una specie preda può anche sfruttare un tipo di protezione imitando le fattezze di una specie in qualche modo pericolosa o disgustosa: in questo caso di parla di mimetismo batesiano. Figura 28.3C Copyright © 2006 Zanichelli editore Figura 28.3D 28.4 La predazione contribuisce a mantenere la diversità di una comunità Una specie chiave di volta è un predatore che mantiene la diversità della sua comunità riducendo la densità dei competitori più forti e impedendo l’esclusione competitiva delle specie più deboli. Figura 28.4A Copyright © 2006 Zanichelli editore • Se la specie chiave di volta viene eliminata diminuisce la biodiversità. – Nel Pacifico settentrionale, la predazione delle lontre marine da parte delle orche ha fatto aumentare il numero dei ricci di mare (di cui si nutrono le lontre). – Dove abbondano i ricci di mare scarseggia la loro fonte di nutrimento principale: le alghe brune kelp. – La scomparsa di una specie chiave di volta (la lontra) povoca la scomparsa di altre specie (le alghe kelp). Figura 28.4B Copyright © 2006 Zanichelli editore 28.5 Gli erbivori e le piante di cui essi si nutrono hanno evoluto diversi adattamenti reciproci • Gli erbivori sono animali che hanno evoluto adattamenti utili a nutrirsi di piante o alghe. • Per difendersi, molte piante producono composti tossici. Copyright © 2006 Zanichelli editore 28.6 Le relazioni di simbiosi contribuiscono a strutturare le comunità • Una relazione simbiotica è un’interazione nella quale due o più specie vivono insieme in intimo contatto. • Vi sono tre tipi di interazioni considerate simbiotiche: – le relazioni di parassitismo; – le relazioni di commensalismo; – le relazioni di mutalismo. Copyright © 2006 Zanichelli editore • Nel parassitismo un organismo, il parassita, si nutre a spese dell’ospite. I patogeni, a differenza della maggior parte dei parassiti, tendono a uccidere il proprio ospite. • Nel commensalismo una specie beneficia della presenza dell’altra, che non ne viene disturbata. • Nel mutualismo entrambi i partner traggono beneficio reciproco di varia entità dalla relazione. Figura 28.6A Copyright © 2006 Zanichelli editore Figura 28.6B 28.7 Le comunità sono soggette a continue perturbazioni di intensità molto variabile • Le perturbazioni sono eventi disturbanti caratteristici della maggior parte delle comunità, che – danneggiano le comunità biologiche, – rimuovono organismi da esse; – alterano la disponibilità delle varie risorse. • Gli incendi, le alluvioni, i periodi di siccità, il sovrappascolo o le attività umane sono esempi di sovrappopolazione. Copyright © 2006 Zanichelli editore 28.8 La struttura trofica è un fattore chiave nelle dinamiche delle comunità biologiche • La comunità degli organismi di ogni ecosistema ha una propria struttura trofica, cioè un modello di interazioni alimentari costituito da più livelli. • La sequenza dei passaggi di cibo da un livello trofico a un altro è chiamata catena alimentare. Copyright © 2006 Zanichelli editore Livello trofico Una catena alimentare raffigura il flusso di energia e nutrienti dalle piante (produttori) agli erbivori (consumatori primari) ai carnivori (consumatori secondari e di livello maggiore). Consumatori quaternari Poiana Orca Consumatori terziari Serpente Tonno Consumatori secondari Topo Aringhe Consumatori primari Cavalletta Zooplancton Produttori Pianta Figura 28.8 Copyright © 2006 Zanichelli editore Catena alimentare terrestre Fitoplancton Catena alimentare marina • I detritivori o decompositori (animali saprofagi, funghi e procarioti) decompongono i materiali di scarto e riciclano le sostanze nutritive negli ecosistemi. • La decomposizione operata dai microrganismi è l’atto finale che lega tutti gli organismi in un ciclo ed è essenziale per ogni comunità, così come per la vita stessa. Copyright © 2006 Zanichelli editore 28.9 Catene alimentari interconnesse formano reti alimentari Consumatori quaternari, terziari, e secondari Una rete alimentare è un fattore biotico chiave in molti ecosistemi. Consumatori terziari e secondari Consumatori secondari e primari Consumatori primari Produttori (piante) Figura 28.9 Copyright © 2006 Zanichelli editore La struttura e le dinamiche degli ecosistemi 28.10 L’ecologia degli ecosistemi prende in considerazione il flusso di energia e il riciclaggio chimico Un ecosistema è costituito dall’insieme di tutti gli organismi di una comunità e dall’ambiente abiotico con cui questi organismi interagiscono. Flusso di energia Energia chimica Energia luminosa Energia termica Elementi chimici Figura 28.10A Copyright © 2006 Zanichelli editore Riciclaggio chimico 28.11 Sulla produzione primaria si basa la quantità di energia disponibile per l’ecosistema La produttività primaria è il tasso con cui i produttori convertono l’energia solare in energia chimica sotto forma di molecole organiche (biomassa). Oceano aperto Estuario Letti di alghe e barrire coralline Deserti e semi-deserti Tundra Prateria temperata Aree coltivate Foresta boreale (taiga) Savana Foresta decidua temperata Foresta tropicale pluviale Figura 28.11 Copyright © 2006 Zanichelli editore 0 500 1000 1500 Produttività primaria netta 2000 2500 (g/m2/anno) 28.12 L’energia disponibile limita la lunghezza delle catene alimentari Una piramide della produttività mostra il flusso di energia dai produttori ai consumatori dei vari livelli trofici. Consumatori terziari Consumatori secondari Consumatori primari 10 kcal 100 kcal 1000 kcal Produttori 10 000 kcal Figura 28.12 Copyright © 2006 Zanichelli editore 1 000 000 kcal di energia luminosa • I produttori convertono soltanto l’1% della quantità di energia solare che raggiunge la Terra in produttività primaria. • Soltanto circa il 10% dell’energia immagazzinata da un livello diventa disponibile per quello successivo. Copyright © 2006 Zanichelli editore COLLEGAMENTI 28.13 La piramide della produttività spiega perché il consumo di carne può essere considerato un lusso I produttori potrebbero sostenere molte più persone se non ci comportassimo come consumatori secondari ma soltanto primari. Livello trofico Consumatori secondari Consumatori primari Individui a dieta carnivora Bestiame Individui a dieta vegetariana Mais Produttori Figura 28.13 Copyright © 2006 Zanichelli editore Mais 28.14 Le sostanze chimiche vengono riciclate attraverso il passaggio tra materia organica e riserve abiotiche I cicli biogeochimici sono i cicli in cui le sostanze nutritive vengono riciclate e continuamente trasferite dagli organismi ai serbatoi abiotici. 2 3 Produttori 1 Detritivori 4 Sostanze nutritive disponibili per i produttori Figura 28.14 Copyright © 2006 Zanichelli editore Consumatori Serbatoio abiotico 28.15 L’acqua è coinvolta in un ciclo globale della biosfera Nel ciclo dell’acqua il motore è l’energia solare, che innesca le precipitazioni, l’evaporazione e la traspirazione. Energia solare Trasporto sopra la terraferma Movimento netto di vapore acqueo dovuto ai venti Precipitazioni Evaporazione sugli oceani dall’oceano Evaporazione e traspirazione dalla terraferma Dilavamento e acque del sottosuolo Figura 28.15 Copyright © 2006 Zanichelli editore Precipitazioni sulla terraferma Percolazione attraverso il suolo 28.16 Il ciclo del carbonio dipende dalla fotosintesi e dalla respirazione Nel ciclo del carbonio, questo elemento viene CO2 atmosferico Fotosintesi Respirazione cellulare • prelevato dall’atmosfera attraverso la fotosintesi; • fissato nelle molecole organiche; • restituito in fine all’atmosfera attraverso la respirazione cellulare. Combustione di combustibili fossili e legname Composti del carbonio nell’acqua Sostanze di rifiuto Decomposizione Figura 28.16 Copyright © 2006 Zanichelli editore Consumatori Consumatori di livello più elevato primari 28.17 Nel ciclo dell’azoto è fondamentale il ruolo dei batteri Nel ciclo dell’azoto i batteri azotofissatori concentrano l’azoto gassoso N2 in composti assimilabili dalle piante: ioni ammonio (NH4+) e nitrati (NO3–). Azoto atmosferico (N2) Fissazione dell’azoto Batteri azotofissatori nei noduli radicali delle leguminose Assimilazione da parte delle piante Nitrati (NO3–) Detritivori Decomposizione Ione ammonio (NH4+) Batteri azotofissatori del suolo Figura 28.17 Copyright © 2006 Zanichelli editore Batteri denitrificanti Batteri nitrificanti • I detritivori decompongono i rifiuti azotati in ioni ammonio, rendendo così l’azoto di nuovo disponibile per le piante. • I batteri denitrificanti del terreno completano il ciclo dell’azoto, trasformando i nitrati presenti nel suolo in N2 atmosferico. Copyright © 2006 Zanichelli editore 28.18 Il ciclo del fosforo dipende dall’erosione delle rocce Nel ciclo del fosforo il riciclaggio avviene a livello locale: il serbatoio abiotico del fosforo è costituito dalle rocce. Pioggia Erosione Sollevamento delle rocce degli strati Dilavamento geologici Consumatori Sedimentazione Assimilazione di PO43– da parte delle piante Suolo Dilavamento Decompositori Figura 28.18 Copyright © 2006 Zanichelli editore Piante L’alterazione degli ecosistemi 29.19 L’alterazione degli ecosistemi può destabilizzare i cicli biogeochimici • Il funzionamento di ogni ecosistema dipende strettamente dall’equilibrio nei cicli delle sostanze nutritive. • Eventuali alterazioni di questi cicli possono avere ripercussioni sulla struttura delle comunità. Copyright © 2006 Zanichelli editore Studi a lungo termine condotti su un ecosistema forestale hanno dimostrato che drastiche alterazioni, come la totale rimozione della vegetazione, possono aumentare il dilavamento delle sostanze nutritive. 80 60 40 20 4 3 2 1 0 Area disboscata Termine della fase di deforestazione 1965 Figure 28.19A-C Copyright © 2006 Zanichelli editore 1966 Area di controllo 1967 1968 28.20 Gli ecosistemi di acqua dolce sono molto sensibili alle alterazioni dei cicli biogeochimici Il dilavamento delle sostanze nutritive (fosforo e azoto) da terreni agricoli e gli scarichi fognari non adeguatamente depurati possono provocare fioriture algali per eutrofizzazzione, processo che riduce la biodiversità e abbassa la qualità delle acque. Figura 28.20 Copyright © 2006 Zanichelli editore