Cenni storici sull ecologia

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1 1. L ECOSISTEMA

2 Cenni storici sull ecologia Cosa fanno gli ecologi? Cosa è l ecologia? A cosa si interessano? Da cosa nasce l ecologia? Definizione Oikos (οικοσ) e logos (λογοσ), vale a dire lo studio della casa, che con accezione moderna vale lo studio scientifico della distribuzione e dell abbondanza degli organismi e delle interazioni che le regolano

3 Cenni storici sul concetto di ecosistema La natura funziona come un sistema (fine 800): Moebius (1877) definisce biocenosi un banco di ostriche del quale descrive l insieme complesso di organismi viventi Forbes (1887) definisce microcosmo un intero lago Dokuchaev ( ) utilizza largamente il concetto di biocenosi che viene successivamente implementato da Sukachev (1944) in biogeocenosi Tansley (1935), fondatore della British Ecological Society, definisce il concetto di sistema ecologico mettendo insieme componenti biotici e componenti abiotici. È l idea di un avanzare verso l equilibrio, che forse non viene mai completamente raggiunto, ma alla cui approssimazione si arriva quando i fattori in gioco sono costanti e stabili per un periodo di tempo lungo e sufficiente

4 Gli ecologi ante litteram I primi ecologi inconsapevoli Gliuomini+ primitivi Cacciatori e Raccoglitori Dove troviamo il cibo? Come lo catturiamo? Come evitare che altri ce ne privino? I primi ecologi APPLICATI inconsapevoli Gli uomini primitivi AGRICOLTORI Dove e quando mettiamo in essere le nostre colture? Quali colture sono più produttive? Come evitare l impoverimento delle colture?

5 I moderni fondatori dell ecologia Haeckel (1866): OEKOLOGIE La scienza comprensiva della relazione dell organismo con l ambiente Burdon-Sanderson (1893): La scienza che si occupa delle relazioni esterne tra piante ed animali e con le condizioni passate e presenti della loro esistenza

6 Fitosociologia ed ecologia animale Tansley (1904): La scienza che si occupa delle relazioni delle piante con il loro ambiente in relazione alle differenze degli habitat Elton (1927): La scienza che si occupa della sociologia ed economia degli animali piuttosto che dei loro adattamenti strutturali o fisiologici

7 L accezione moderna dell ecologia Fino agli anni 70 l ecologia era considerata una branca della biologia L ecologia è la scienza che studia l ECOSISTEMA Consapevolezza degli effetti devastanti dell uomo sull ambiente Ecologia, Economia e Politica si sovrappongono e si confrontano (Odum 1977) ECOLOGIA non implica (rigida) CONSERVAZIONE ECOLOGIA (scienza) ed ECOLOGISMO (movimento - spesso senza fondamenti di conoscenza)

8 Definizione di ecosistema L ecosistema è l unità di base dell ecologia e, nell accezione più moderna, è definito come quell unità che include tutti gli organismi che vivono insieme (comunità biotica) in una data area, le cui interazioni con l ambiente fisico sono caratterizzate da un continuo flusso unidirezionale di energia che porta ad una definita struttura biotica ed ad una ciclizzazione dei materiali FLUSSO DI ENERGIA COMPARTO ABIOTICO Uscita CICLO DI MATERIALI Entrata COMPARTO BIOTICO I sistemi ecologici sono SISTEMI APERTI, vale a dire presentano sempre un ambiente di ENTRATA (INPUT) ed un ambiente di USCITA (OUTPUT), anche se il sistema e le sue strutture rimangono inalterati

9 Population Biology

10 ECOLOGIA OLISTICA

11 La duplice interazione Organismi Adattamento: dalla fisiologia all etologia Ambiente Ipotesi Gaia: modificare l ambiente per sopravvivere La terra come MACROCOSMO

12 Interazioni biunivoche Fattori abiotici ECOSISTEMA Fattori biotici

13 L ipotesi Gaia Cosa rende il nostro pianeta ciò che noi conosciamo? Cosa lo differenzia dai pianeti vicini? Le modificazioni abiotiche hanno favorito la vita o la vita ha favorito se stessa? Marte Venere Terra primordiale Terra attuale CO2 95% 98% 98% 0,03% N2 2,7% 1,9% 1,9% 79% O2 0,13% tracce tracce 21% T ( C)

14 Greenhouse effect & Global warming Emissioni industriali Incendi boschivi

15 UOMO Una possibile risposta Aumento emissioni CO2 Aumento CO2 atmosferica Aumento temperatura Aumento autoignizione Aumento utilizzo CO2 Aumento velocità reazioni biochimiche Aumento fotosintesi Sequestro CO2 nelle aree + produttive Diminuzione CO2 atmosferica

16 L unico esempio funzionante (ma non sappiamo se per tanto ancora ) La terra è un sistema biorigenerativo (la sorgente di energia è quasi inesaurubile) nel quale piante, animali e soprattutto microorganismi riciclano e controllano le sostanze necessarie per la vita FOTOSINTESI ENERGIA RESPIRAZIONE

17 Scale spaziali nell osservazione ecologica

18 Il problema della scala spaziale di osservazione Individuo Ecosistema Geni Cellule Organi Organismi Popolazioni Comunità

19 Livelli di organizzazione E più comodo ragionare in termini di ORGANIZZAZIONE GERARCHICA: disposizione ordinata entro una serie di comparti CONFRONTO TRA ORGANIZZAZIONI A SCALE DIFFERENTI GRANDE SCALA PICCOLA SCALA Geopolitica Ecologica Tassonomica Fisiologica Militare Mondo Biosfera Regno Organismo Generale Continente Regione Phylum Apparato Colonnello biogeografia Nazione Regione, Bioma Classe Organo Maggiore Regione Paesaggio Ordine Tessuto Capitano Provincia Ecosistema Famiglia Cellula Tenente Comune Comunità Genere Organulo Sergente popolamento nucleo Città Popolazione Specie Molecola Soldato specie Quartiere Organismo Caseggiato Condominio Famiglia Individuo

20 Proprietà emergenti ed omeostasi I sistemi gerarchici normalmente presentano caratteristiche generali proprie del sistema che non appartengono a nessuna delle sue componenti Tali proprietà si definiscono PROPRIETA EMERGENTI, sono dvute all interazione funzionale tra le varie componenti del sistema e la loro natura non può essere determinata dallo studio delle singole proprietà L INTERO E PIU DELLA SOMMA DELLE PARTI UNA FORESTA E PIU CHE TANTI ALBERI MESSI INSIEME L H2O HA PROPRIETA DIVERSE DA H ED O UNA CORAL REEF E PIU DI UN CORALLO E DELLE ALGHE Tali proprietà sono via via più complesse man mano che la struttura gerarchica si complica, fino a che l insieme del sistema appare poco variabile: eistono cioè MECCANISMI OMEOSTATICI in grado di attenuare le oscillazioni del sistema (. Ricordate la potenziale risposta della PP all effetto serra?)

21 OMEOSTASI: I fattori che possono modificarla Stocastici Abiotici - Climatici - Uomo

22 Fattori Biotici Natalità/Mortalità - Immigrazione/Emigrazione Competizione & Predazione Migrazione Densità Predazione Competizione per lo spazio Mortalità

23 Modellizzazione Ecosistema come Black-Box Ambiente di entrata ed ambiente di uscita fanno parte dell ecosistema

24 Modellizzazione per simboli L ecosistema per simboli (odumiani) Sorgente di energia Interazione Produttore primario Consumatore Perdita di materia o energia Deposito/Serbatoio

25 Modellizzazione interna L ecosistema schematizzato Flusso di energia Energia solare Input di nutrienti Limite dell ecosistema Energia immagazzinata (detrito) Feed-back sul detrito Ciclo di materia Struttura biotica Materiale in uscita Perdita di calore

26 Struttura degli ecosistemi Struttura TROFICA (Lindeman) Strato superiore verde AUTOTROFO: organismi in grado di produrre sostanza organica a partire da materiale inorganico mediante fotosintesi o chemiosintesi Strato inferiore bruno ETEROTROFO: organismi che per il loro sostentamento si nutrono di sostanza organica, tranedoladaorganismivivio dal materiale in decomposizione

27 Componenti del sistema Classificazione per ruolo Sostanze inorganiche: C, N, P, S, CO2 ed altri ancora tutti coinvolti nei CICLI BIOGEOCHIMICI Composti organici (link tra biotico ed abiotico): proteine, zuccheri, lipidi, sostanze umiche, acidi nucleici Aria, H2O, substrato e fattori climatici Produttori primari: organismi autotrofi (generalmente fotosintetizzanti in grado di organicare il carbonio Macroconsumatori o fagotrofi (biofagi): organismi eterotrofi chesicibanodimateriaorganicavivente Microconsumatori o saprotrofi o decompositori (saprofagi): organismi eterotrofi che si cibano di materia organica morta e la convertono in sostanza inorganica (sono il link tra strato vivente e strato non vivente)

28 Ecosistema terrestre ed acquatico I = AUTOTROFI A = piante B = fitoplancton II = ERBIVORI A = Insetti/mammiferi B = zooplancton erb. III = DETRITIVORI A = invertebrati suolo B = invertebrati bent. IV = CARNIVORI A = uccelli/animali B = pesci V = SAPROTROFI Batteri e funghi

29 La Sostanza Organica: Biomassa e Necromassa BIOMASSA Sostanza organica vivente in una determinata area o volume B = g C m -2 o g C m -3 NECROMASSA Sostanza organica morta in una determinata area o volume N = g C m -2 o g C m -3 DETRITO Perdite non predatorie di carbonio organico da ogni livello trofico (inclusa egestione, escrezione, secrezione) o input da fonti esterne all ecosistema che entrano e circolano nel sistema (carbonio organico alloctono). Wetzel et al.,1972.

30 Produzione primaria e fotosintesi La fotosintesi del nostro pianeta ammonta a gdi sostanza organica (100 miliardi di ton) per anno Una pari quantità sarebbe riossidata a CO2 ed H2O, anche sesappiamo chenon èstatoe,attualmentenon èproprio così PRODUZIONE La produzione è la variazione di biomassa nel tempo P = B t -1 = g C m -2 t -1 PRODUZIONE PRIMARIA = FOTOSINTESI o CHEMIOSINTESI CO 2 + H 2 A (CH 2 O) + H 2 O + 2A dove A = Ossigeno per fotosintesi A = Zolfo (es.) per chemiosintesi

31 Fotosintesi ed adattamento Tipo + comune C3 = ciclo di Calvin tipico di aree temperate Tipo - comune C4 = ac. dicarbossilici tipico di aree calde

32 Decomposizione DEFINIZIONE: ogni ossidazione biologica che produce energia Respirazione aerobica L ossigeno gassoso molecolare (O 2 ) è l agente ossidante E la + comune ed è la reazione inversa della fotosintesi Respirazione anaerobica L ossigeno molecolare (O 2 ) non entra in gioco, l ossidante è normalmente un altra sostanza inorganica E tipica nei solfobatteri dove l ossidante è normalmente il solfato (SO 4 ) che viene ridotto ad H 2 S Fermentazione Anche questa è anaerobica ma l ossidante è una sostanza organica. E tipica dei lieviti

33 La decomposizione è una funzione essenziale degli ecosistemi BIOMASSA DETRITO DECOMPOSIZIONE COMPLESSAZIONE E FORMAZIONE DI MATERIALE REFRATTARIO (humus) REMINERALIZZAZIONE BATTERI UTILIZZATORI DI DETRITO CATENA DEL DETRITO

34 Natura cibernetica degli ecosistemi Resistenza e Resilienza CIBERNETICA: regolazione dei processi Negli ecosistemi oltre a materia ed energia fluisce anche informazione Questa, contenuta nel codice genetico degli organismi, è anche collegata al funzionamento delle interazioni oltre che alla fisiologia ed all adattamento della specie/individuo Questa informazione diffusa permette all ecosistema di esibire una CAPACITA (stabilità) di RESISTENZA ed una CAPACITA di RESILIENZA CAPACITA di RESISTENZA: capacità di resistere ad una perturbazione esterna CAPACITA di RESILIENZA: capacità di tornare in condizioni di equilibrio dinamico (diverso dall iniziale) al cessare della perturbazione

35 Natura cibernetica degli ecosistemi entrata controllo regolatore Sub-sistema controllato uscita A) Sistema umano a controllo esterno sistema entrata Sub-sistema primario uscita B) Sistema ecologico a controllo interno Sub-sistema secondario sistema

36 Il mantenimento della Resistenza: Feeback positivi I meccanismi di controllo tra comparti sono di varia natura: fisici, chimici, biologici, energetici Odum parla anche di invisibili fili della natura Uscita Entrata Perturbazione Effetti di alto valore energetico 1 Elementi a Bassa Energia 2

37 Il mantenimento della Resistenza: Ridondanza o omotassi congenerica 1C Perturbazione 1A 1B

38 La fine della resistenza In condizioni di stress eccesivo i meccanismi di controllo non sono in grado di mantenere la stabilità per sempre Il sistema evolve verso un nuovo stato di equilibrio diverso dal precedente: RESILIENZA I sistemi di nuova formazione (ospite-parassita; campi coltivati) presentano fluttuazioni funzionali molto ampie, mentre sistemi distanti dal loro inizio (in condizioni fisico-chimiche favorevoli) presentano fluttuazioni funzionali molto limitate

39 Produzione, Biomassa, Turn-over BIOMASSA: sostanza organica vivente su area o volume (gc m-2) PRODUZIONE: variazione di biomassa nel tempo (gc m -2 t -1 ) TURNOVER: tasso di duplicazione della biomassa (t -1 ) TEMPO DI TURN-OVER = tempo necessario alla rigenerazione della biomassa

40 Proprietà degli ecosistemi PIRAMIDI DI BIOMASSA PIRAMIDI DI PRODUZIONE Proprietà gerarchica degli ecosistemi