ECOLOGIA MARINA aa 2015/16

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1 Scuola di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali ECOLOGIA MARINA aa 2015/16 Modulo Foto-ecologia marina Assorbimento dei pigmenti algali, loro distribuzione nei taxa e pigmenti diagnostici Organismi e processi responsabili della Produzione Primaria Pelagica. Irradianza subacquea e disponibilità luminosa in acqua, PAR, proprietà ottiche e sostanza otticamente attive in mare. Descrizione e classificazione ottica delle acque marine, variazioni spettrali. Telerilevamento ottico e radiometrico, passivo e attivo (radianza e fluorescenza) dei vegetali e di caratteristiche oceanografiche. Analisi della curva fotosintetica PE, le strategie di foto-adattamento. Limitazione e stima della produzione primaria in mare. Telerilevamento di temperatura e torbidità delle acque, della vegetazione marina e della produzione primaria. Analisi di modelli, analisi di dati, la biogeografia regionale pelagica Kirk, 1994 Light and photosynthesis in aquatic ecosystems, Cambridge Univ Press 1

2 Scuola di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali ECOLOGIA MARINA aa 2015/16 Corso della LM in Biologia II anno, 6 cfu, con esercitazioni Lezione Foto-EM1 Produzione Primaria: processi ed organismi Pigmenti algali e assorbimento della luce 2

3 Vie di sintesi metabolica, i processi di formazione della materia organica Condizioni organo-eterotrofe Condizioni lito-autotrofe Biosintesi di metaboliti e macromolecole da Raymont Lito-Fototrofia = Fotosintesi e Chemiosintesi 3

4 3 tipi di produzione primaria marina 4 da Valiela, Marine Ecological processes

5 I processi di produzione in acqua Fotosintesi algale Consumo Decomposizione Discontinuità Red-ox Fotosintesi anossigenica Decomposizione anaeroba Chemiosntesi Ecologia aa 2011/12 1

6 FOTOSINTESI e PRODUZIONE PRIMARIA n CO n H 2 A hv ==========> n (CH 2 O) + 2nA + n H 2 O pigmenti donatore di H+: organismi: H 2 A H 2 S fotosin. batterica (batteri rossi e batteri verdi) (anossigenica) quantitativamente poco / importanti (*) \ H 2 O fotosin."algale" (cianobatteri, microalghe, (ossigenica) fitobenthos, piante superiori) (*) condizioni anaerobe e luce sufficiente sono rare in mare contemporaneamente; eccezione in condizioni ipertrofiche, v. "maree rosse", sono più comuni nei laghi (stratificati) - es. Chromatium, Chlorobium, Rhodopseudomonas. 6

7 N.B. in ogni caso nella biosfera complessivamente: I produttori primari di granlunga più importanti sono gli organismi capaci di fotosintesi ossigenica (fotosintesi algale) 8 h CO H 2 O ======> (CH 2 O) + H 2 O + O 2 - autotrofia tipi di metabolismo - auxotrofia (es. vitamine) - eterotrofia - mixotrofia può anche esistere la possibilità per lo stesso tipo di organismo di passare da una forma di metabolismo all'altra ad es. - batteri - dinoflagellate - diatomee 7

8 Fotosintesi e chemiosintesi nel Mar Nero Discontinuità redox 8

9 Gli organismi Produttori Primari PP fila acquatici Bacteria Archea 6 regni viventi 2007/08 9

10 Le CLASSI dei produttori primari : in aria Bacteria Plantae: 2007/08 Briophyta Lycophyta Cycadophyta Pterophyta Gynkophyta Coniferophyta Gnetophyta Anthophyta (Fanerogame) in acqua 10 Batteri fotosintetici dello zolfo (rossi e verdi) batteri chemiosintetici Prochlorophyta Cyanophyta Cryptophyta Rhodophyta Crysophyta (diatomee, dinoflagellate coccolitine, silicoflagellate) Phaeophyta Euglenophyta Prasinophyta Chlorophyta Charophyta Fanerogame marine (Anthophyta)

11 PPN annua %PPN ecosistema superficie Ecologia aa 1

12 Diatomea Coccolitoforidea Dinoflagellate 12

13 Fitoplancton LE PRINCIPALI CLASSI MARINE pico-plancton µm (dse) - nano-plancton 2-20 µm - micro-plancton µm PROCHLOROPHYCEAE : organismi procarioti unicellulari, divinilclorofille Prochlorococcus CYANOPHYCEAE : organismi procarioti unicellulari Synechococcus e Trichodesmium CRYPTOPHYCEAE : eucariote, unicellulari, senza parete Cryptomonas, Oomonas BACILLARIOPHYCEAE : (diatomee) unicellulari e/o coloniali, valve silicee, Navicula, Chaetoceros DYNOPHYCEAE : cromosomi condensati, placche cellulosiche Prorocentrum, Peridinium PRYMNESIOPHYCEAE : (coccolitofori) parete con coccoliti calcarei Prymnesium, Coccolithus RHAPHIDOPHYCEAE : (cloromonadine) nessuna parete nude Chattonella, Fibrocapsa PRASINOPHYCEAE : 4 flagelli con peli e scagliette, teca (scaglie o parete) Tetraselmis 13

14 Bacterioplancton procariota batteri sulfurei rossi batteri sulfurei verdi FAPs Acidobacteria es. Rhodopseudomonas sphaeroides es. Prosthecochloris aestuarii 14

15 Cianoficee Anaboena Nostoc Trychodesmium Synechococcus Cyanoprokariota 15

16 Fitoplancton eucariota Biddulphia Chaetoceros Asterionella Navicula Peridinium

17 17

18 Diatomee Centriche Pennate Fioriture mari temperati e polari taxon fondamentale x PPP 18

19 Dinoflagellate Feophyta 19

20 Coccolitine o Haptophyta carbonato di calcio esopolisaccaridi C. Nuccio

21 I pigmenti algali fotosintetici Clorofille Carotenoidi Ficobiline 2007/08 21

22 Liposolubili : carotenoids clorofille, carotenoidi Idrosolubili : ficobiline phycobiliproteins 2007/08 22

23 Interazione luce-materia Trasmissione - Attenuazione assorbimento diffusione a+b=c Assorbimento = cattura di un fotone da parte di una molecola: quando l'energia di questo corrisponde a quella richiesta per un salto quantico (livello elettronico) si ha la transizione di un elettrone dallo stato fondamentale ad uno eccitato. emissione di luce si ha da parte della materia (elettroni) che cambia stato energetico. 23

24 24 Corrispondenza tra assorbimento-emissione e struttura della materia molecolare/atomica Prof. Luigi (orbitali) Lazzara

25 Energia degli orbitali spettri di assorbimento e fluorescenza 2007/08 25

26 N.B. Nella fotosintesi tutti i fotoni visibili assorbiti sono equivalenti a causa della trasmissione di energia vibrazionale e rotazionale (risonanza induttiva). N.B. Quanta o Fotoni non Watt La clorofilla a ed i pigmenti accessori assorbono in tutte le bande del visibile più o meno, ma l'energia fissata dalla fotosintesi è solo quella corrispon-dente alla luce rossa = 680nm picco > assorb. della clorofilla a (v. centro reazione P680) 3 destini > probabili dei fotoni assorbiti 1. dissipazione di calore attraverso passaggio allo stato di tripletto v. molecole non fotosintetiche 2. alla catena redox NADPH v. schema Z 3. in fluorescenza o re-emissione di un fotone 26

27 carattere diagnostico dei pigmenti carotenoidi Caroteni Xantofille separazione via HPLC specie-specifici 27

28 I maggiori Gruppi algali pigmentari 28

29 5 Gruppi pigmentari (clorofille e ficobiline) Taxon fitoplancton Gruppo pigmentario Pigmenti caratterizzanti 1 Prochlorococcus DvA - DvB Divinyl-Chl a e b 2 Cianoficee A PE PC Chl a PE e PC 3 Criptoficee A - C - PE Chl a Chl c PE (e PC) 4 Cloroficee Prasinoficee A-B Chl a Chl b 5 Diatomee Dinoflagellate A-C Chl a Chl c Coccolitine Carotenoidi fotosint

30 I Pigmenti colorati danno agli organismi una firma spettrale nell assorbimento anche in vivo Cellule Cloroplasti Grana Tilacoidi PSU 30

31 Assorbimento In vivo delle cellule 2 um package effect 57 um appiattimento proporzionale al diametro d 31

32 assorbimento specifico in vivo a* = a/chl Cloroficee 1-4 chl b Chl c Chl b Diatomee 5-7 chl c 32