Ecologia
La scienza che studia le relazioni fra i vari organismi e
l’ambiente è l’
Ecologia
Oikos = casa
Logos = discorso
Ecologia
Organismi-----------------------Ambiente
relazioni
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Struttura di un Ecosistema
ECOSISTEMA
Componente
Biotica
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Componente
Abiotica
Capitolo 28
Le comunità
gli ecosistemi
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e
Predatori predati
Le vespe Apanteles inseriscono le
loro uova nel bruco della cavolaia
Le vespe icneumonidi depongono
le loro uova dentro alle larve di
apanteles
Le vespe calcididi depongono
le loro uova dentro alle larve di
icneumone
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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
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Comunità Biologica
In ogni ambiente gli Organismi non vivono isolati, ma a
contatto con altri esseri della stessa specie e di altre specie
Organismi
Relazioni
non casuali
Stessa specie
popolazione
Altre specie
Tutti gli organismi che vivono nello stesso luogo formano una
Comunità Biologica o Biocenosi
Comunità Biologica = associazione
organizzata
Biocenosi = vita + unione
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I parametri che caratterizzano ciascuna comunità sono:
• la diversità delle specie;
una comunità è molto
diversificata se è formata da
molte specie e queste sono
ripartite in maniera omogenea.
Ricchezza di specie
Abbondanza relativa
degli organismi di
ciascuna specie
• le specie dominanti;
Solitamente coincidono con le
specie vegetali prevalenti.
• il tipo di reazioni alle perturbazioni;
Tempeste, incendi, ecc. dipendono sia dal tipo di comunità,
sia dal tipo di perturbazione.
• la struttura trofica.
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La struttura trofica: relazioni alimentari
Le interazioni nelle comunità sono di 4 tipi:
intraspecifiche
• Competizione
interspecifiche
• predazione
• erbivoria
• simbiosi
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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.
All’interno di una biocenosi ogni specie
tende a specializzarsi in una funzione
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competizione
Come risultato della competizione può ridursi la fitness
globale cioè il successo riproduttivo
Risorse per le quali si può avere competizione: cibo,
acqua, luce, spazi vitali, tane.
1934 principio di
esclusione di Gause
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Competizione:
Paramecium
aurelia esclude
dalla coltura
liquida P.
caudatum
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
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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
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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.
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La predazione
consente il controllo
numerico degli individui
Influisce sull’evoluzione di
prede e predatori
coevoluzione.
Contribuisce a mantenere le
popolazioni entro la capacità
di sostentamento
dell’ambiente
Riduce le esplosioni
demografiche e, talvolta,
elimina i soggetti più deboli
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Il predatore
La preda
Predatori sempre più specializzati
Volpe
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faina
aquila pomarina
Espedienti di difesa (per sfuggire ai nemici)
Molti animali si proteggono:
per mezzo di strutture anatomiche
(es. spine, aculei),
Sfera anatomica
assumendo atteggiamenti
aggressivi o minacciosi,
Sfera comportamentale
con colorazioni che simulano il substrato (per ingannare le prede)
Le forti pressioni selettive hanno reso possibile l’evolversi di
mutamenti strutturali e comportamentali.
MIMETISMO dal greco mimeisthai = imitare
COLORAZIONI APOSEMATICHE
(colorazioni di avvertimento)
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DISEGNI CRIPTICI
•Prede e predatori per selezione naturale possono evolvere
adattamenti particolari.
Il mimetismo critpico (camuffamento) e la difesa
chimica sono strategie difensive delle prede contro la
predazione.
Figura 28.3A
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Figura 28.3B
Mimetismo criptico
kriptòs=nascosto
le prede si nascondono ai loro predatori grazie a particolari e
sofisticati attributi che le rendono difficilmente individuabili
nell’ambiente circostante
Gli attributi possono riguardare:
il colore OMOCROMISMO
o la morfologia OMOMORFISMO
Bruco simile a escremento
di uccello
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Simili al substrato
Insetto stecco
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Digitalis purpurea stramonio mughetto
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Difese delle prede
Leccio - Quercus ilex
Foglie coriacee, dentellate,
pianta sempreverde.
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COLORAZIONI APOSEMATICHE
APOSEMATISMO
Un qualunque dispositivo di protezione chimica sarà
tanto più efficace quanto più i predatori saranno in grado di
riconoscerlo dopo aver effettuato una serie di prove di “assaggio”
I campanelli d’allarme sono dati dai colori di avvertimento giallo,
rosso, blu su fondo nero o bianco
oppure abbinati tra loro con contrasti violenti
Rana rossa
velenosa
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Mimetismo mulleriano
- in onore dello zoologo
Muller che per primo, nel
1878, ne ipotizzò la
spiegazione.
Insetti non commestibili
hanno le livree dai colori
accesi e vistosi per
segnalare ai loro predatori
il pericolo e avvertimento.
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Mimetismo batesiano
in onore di Bates che,
nel 1862, per primo
studiò il mimetismo
negli insetti.Insetti
imitano con le sue
forme e colori altri
insetti con diffese
antipredatorie: api,
calabroni e vespe
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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
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Figura 28.3D
Mimetismo parassitario
Cuculus canorus
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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
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• 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
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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.
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Alcune interazioni erbivori-piante illustrano il concetto di
coevoluzione, cioè la selezione di adattamenti evolutivi
reciproci delle due specie.
Uova
Depositi
di zucchero
Figura 28.5
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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.
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• 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.
Stafilococchi,
plasmodi,
trypanosomi
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Parassitismo
endoparassiti
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Ectoparassiti: isopode, pidocchi, anopheles
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• 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
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Figura 28.6B
mutualismo
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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.
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• Perturbazioni su scala ridotta hanno effetti positivi
e possono incrementare la varietà ambientale
locale contribuendo ad aumentare la biodiversità di
una comunità.
• Le comunità cambiano invece in modo drastico a
causa di perturbazioni particolarmente intense.
• La successione ecologica è una transizione della
composizione specifica di una comunità che si
verifica in seguito a una perturbazione.
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L’evolversi degli ecosistemi viene denominato
successione ecologica
Un ecosistema non è ne statico ne immutabile, così
come ogni altro sistema biologico è in continua
evoluzione, alla ricerca del migliore adattamento alle
condizioni ambientali, anch’esse in continua mutazione.
La successione ecologica attraversa diversi stadi
intermedi detti stadi serali o sere, fino a raggiungere una
conformazione di equilibrio perfetto con una stabilità del
sistema : questo stadio è chiamato climax.
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La successione primaria è la colonizzazione graduale
a partire dalla nuda roccia: si verifica quando una
comunità colonizza un’area che è praticamente priva di
forme di vita e di terreno fertile.
Ritiro del ghiacciaio,
che deposita una
morena frontale
Le piante erbacee
Dryas colonizzano
l’area
Figura 28.7
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Compaiono gli abeti
nella foresta degli
ontani
Foresta di abeti
• La successione secondaria avviene a seguito di
intense perturbazioni che distruggono una
comunità presente in una certa area ma lasciano
intatto il suolo.
• Si verifica una successione secondaria se aree
forestali trasformate in terreni agricoli vengono
abbandonate o in aree devastate da incendi e
alluvioni.
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Un esempio di successione nella biosfera è quella che si
manifesta nelle zone attigue ai vulcani attivi dopo una
eruzione
dopo che la lava si è raffreddata abbiamo la comparsa dei primi abitatori: i
licheni che iniziano la colonizzazione dello strato lavico.
Via via che questi muoiono vanno a costituire un substrato di crescita su cui
cominceranno a svilupparsi dapprima le felci e le graminacee più semplici che
andranno a costituire un leggero e continuo strato di vegetazione che
produrrà quella sostanza organica necessaria alla colonizzazione del suolo
da parte di arbusti ed altre piante con apparato radicale ben sviluppato
Queste specie pioniere andranno ad esercitare una azione modificatrice
sull’ambiente, per esempio possono, tramite la simbiosi con specifici batteri,
fissare l’azoto atmosferico e renderlo disponibile nel terreno per altre specie
che si insedieranno successivamente.
A questo punto altre piante, che non fissano azoto, ma hanno altre capacità
adattative ben sviluppate, si sostituiranno alle specie fissatrici utilizzando
buona parte dell’azoto mineralizzato.
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Appena entrano nel sistema nuove specie più
sviluppate, alcune di quelle che si erano
stabilite agli inizi, vengono espulse dal sistema
(esclusione competitiva), mano a mano che si
sviluppa una comunità a climax più stabile, la
velocità con cui si modifica la struttura della
comunità si riduce; in queste condizioni di stabilità
la produzione primaria e la biomassa accumulata
sono alte, la biodiversità è maggiore rispetto alle
fasi iniziali, la catena detritica è ben sviluppata e la
fase organica del ciclo dei nutrienti si completa.
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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
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L’introduzione di nuove specie
1920 cactus introdotti in Australia e 1959 Cactoblastis cactorum
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L’alga Caulerpa taxifolia sta sostituendo la monocotiledone
Poseidonia
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