LA BIOSFERA Gli ecosistemi Capitolo 1 Struttura e funzioni di un ecosistema Gli ecosistemi Le relazioni alimentari

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1 1 LA BIOSFERA Gli ecosistemi Capitolo 1 Struttura e funzioni di un ecosistema Gli ecosistemi Come abbiamo visto nei capitoli precedenti, temperatura, luce, acqua e sostanze nutritive sono fattori che limitano la distribuzione della vita sia nei biomi terrestri che in quelli marini. In altre parole energia e tipo di materia sono fondamentalmente integrati ed interagiscono tra loro. Lo studio puramente descrittivo dei biomi come semplice somma di mondo vegetale più mondo animale, non tiene conto infatti delle relazioni che intercorrono tra i vari organismi viventi e il territorio nel quale vivono. In questo caso termini come ambiente o paesaggio perdono significato ed è più corretto parlare di ecosistema cioè di un sistema integrato formato da uno o più organismi e dall ambiente fisico chimico e biologico in cui vivono. L ecosistema è una sintesi delle relazioni che intercorrono tra parte vivente, detta biocenosi, parte minerale e condizioni fisiche,o biotopo, presenti in un certo luogo, parti che si influenzano reciprocamente. In questa ottica i biomi non sono altro che il risultato di diversi ecosistemi di minori dimensioni che interagiscono tra loro per formare, tutti insieme, le caratteristiche di un dato bioma. L ecosistema rappresenta quindi l unità base costitutiva della biosfera. Le relazioni alimentari Lo studio delle interazioni fra organsimi è molto complesso; si può semplificare analizzandone le relazioni alimentari. Dal momento che ogni individuo per sopravvivere deve nutrirsi e quindi procurarsi cibo, la nutrizione partecipa ad alcune tra le più importanti interrelazioni tra gli organismi. Come certamente saprete esistono due tipi di organismi: gli organismi autotrofi e quelli eterotrofi; i primi sono i soli capaci di fabbricarsi ed utilizzare composti organici partendo da sostanze più semplici (inorganiche) presenti nell ambiente. Le piante e le alghe, insomma tutti i vegetali, sono autotrofi perché in grado, attraverso la fotosintesi che studieremo successivamente, di costruire materiale organico. Gli organismi eterotrofi, invece sono in grado di utilizzare solo composti organici preconfezionati: è il tipico esempio degli animali. Siamo così in presenza di due categorie di esseri viventi: quella dei produttori di materia organica (gli autotrofi) e quella dei consumatori (gli eterotrofi) che si nutrono di altri organismi. Fra i consumatori, poi, possiamo distinguere due livelli: i primari,come gli erbivori,che si nutrono dei produttori, e i secondari cioè i carnivori che, invece, si nutrono dei consumatori primari. Un gruppo molto particolare di consumatori sono i cosiddetti decompositori che traggono il loro nutrimento dalla decomposizione di tutti gli altri organismi morti e dai rifiuti; si tratta in genere di esseri microscopici come funghi e batteri. I decompositori provocano la completa mineralizzazione delle sostanze organiche ritrasformandole in sostanze semplici come acqua, sali minerali e anidride carbonica.

2 2 Catene e reti alimentari Considerando tutti gli organismi appartenenti ad un ecosistema, cioè la biomassa totale, ci accorgiamo immediatamente che i vegetali ne formano una grande parte; di questa vivono gli erbivori, che se ne nutrono direttamente, ed i carnivori che se ne nutrono indirettamente mangiando gli erbivori; ma esistono anche carnivori che mangiano altri carnivori e carnivori che si nutrono invece di carogne. Gli organismi sono concatenati l uno all altro, a formare sequenze lineari nelle quali ciascuno mangia chi lo precede ed è mangiato da chi lo segue: si tratta delle catene alimentari. Esse si originano sempre dai produttori, cui segue un erbivoro (consumatore primario), cui segue un carnivoro (consumatore secondario), cui segue un altro carnivoro che si nutre del precedente e così via. L ultimo carnivoro, quello che non è mangiato da nessun altro, è detto superpredatore. Se poi si guarda meglio ciò che succede negli ecosistemi, ci si accorge che lo stesso animale spesso occupa posti diversi in catene alimentari diverse: una volpe che mangia della frutta è un erbivoro, se mangia un topo è un carnivoro di primo ordine, mentre se mangia un riccio (carnivoro) è un carnivoro di secondo ordine, se infine mangia una carogna svolge un ruolo ancora diverso. Nasce così la rete alimentare, che è l insieme di tutte le catene alimentari, interconnesse tra loro, presenti in un ecosistema. La rete descrive molto meglio della catena i vari ruoli che ogni animale viene a ricoprire nelle varie catene delle quali fa parte; si identificano così i livelli trofici, cioè ruoli alimentari ben definiti: ogni individuo potrà occupare livelli trofici diversi a seconda della catena alimentare considerata. Gli ambienti della vita Capitolo 2 Flusso di energia e ciclo della materia L energia negli ecosistemi In natura i vegetali sono gli unici esseri viventi capaci di utilizzare l energia, di origine solare, per produrre materia vivente. In un ecosistema quindi l energia entra attraverso i produttori e da questi passa ai consumatori. In generale i produttori assorbono solo la metà dell energia luminosa che li colpisce ; molta di questa parte viene dispersa come calore e una piccola frazione viene respirata e solo l 1% dell energia assorbita viene convertita in materia vivente. Questa è a disposizione degli erbivori i quali, però, non la consumano tutta: una parte non viene utilizzata; della frazione mangiata dagli erbivori una parte non è assimilata e viene riemessa all esterno sotto forma di feci mentre la parte assimilata viene in parte respirata e in parte utilizzata per produrre biomassa; questa produzione secondaria, che è pari al 10% di quella primaria, è a

3 3 disposizione dei carnivori, i quali, però, non la utilizzano totalmente; della parte che mangiano una frazione non viene digerita e viene espulsa sotto forma di feci, mentre la parte assimilata viene in parte respirata in parte da luogo ad una produzione terziaria pari al 10% di quella precedente Ad ogni salto di livello trofico viene perso il 90% dell energia prodotta dal livello precedente: dopo tre soli passaggi l energia disponibile si è ridotta ad un millesimo di quella iniziale, per cui, per quanto alta sia la quantità di partenza, tre o quattro passaggi sono sufficienti ad esaurirla. Flusso di energia tra ecosistemi Ad ogni ecosistema giunge energia solare, ma, in aggiunta arriva anche energia proveniente dagli ecosistemi vicini o anche lontani: l energia di un tifone che si è accumulata sull oceano giunge anche a migliaia di chilometri di distanza, mentre altra ne esce in direzione opposta. L energia, quindi, può circolare sotto varie forme, compresa quella contenuta nei legami chimici dei composti organici che formano i viventi. Per ogni ecosistema si potrà fare quindi un bilancio energetico che difficilmente risulterà in pareggio, ma di solito avrà valori positivi o negativi. SCHEDA : Ambienti artificiali e flussi energetici In genere le considerazioni fatte per gli ecosistemi naturali funzionano anche per situazioni artificiali quali ad esempio gli allevamenti zootecnici. Dal punto di vista della biomassa prodotta, saranno più redditizi gli animali di piccole dimensioni, quali polli e conigli, rispetto agli animali grossi quali bovini, a causa del ciclo vitale più rapido dei primi: tra gli animali di grosse dimensioni, solo i suini hanno una produttività paragonabile a quella dei polli (si mangia tutto del maiale), pur avendo, un ciclo vitale più lungo. Inoltre gli animali sono a crescita continua, come le piante, ma, raggiunte certe dimensioni, cessano di crescere e iniziano a consumare tutta l energia che assimilano (respirazione). E per questo motivo che la macellazione avviene prima che si raggiunga questa situazione, situazione che rappresenta una perdita energetica secca. A proposito del flusso di energia sussidiaria c è da dire che i massimi apporti li ritroviamo nei sistemi artificiali costruiti dall uomo (sistemi urbano-industriali) dove l apporto dell energia solare è praticamente trascurabile, mentre assolutamente preponderanti sono i contributi energetici forniti attraverso l energia elettrica, il petrolio, gli alimenti, energia che deriva da altri ecosistemi. I cicli della materia A differenza dell energia luminosa, gli elementi nutritivi non possono contare su un flusso costante e rinnovabile ma devono essere riciclati all interno di un ecosistema. Elementi come il carbonio, l ossigeno e l azoto percorrono dei tragitti muovendosi dalla biocenosi verso il biotopo per reinserirsi poi nel corpo degli organismi viventi, dando vita ai cicli biogeochimici. Il ciclo del carbonio -E strettamente collegato al flusso di energia perché la maggior parte dei processi che liberano energia liberano anche il carbonio, l elemento fondamentale dei composti organici, contenuto nell anidride carbonica che è l unico composto del carbonio direttamente utilizzabile dai vegetali per la sintesi della materia organica. La respirazione e la combustione e la decomposizione assicurano il ritorno dell anidride carbonica nell aria, ma una piccola parte di

4 4 carbonio viene immagazzinata nelle rocce sedimentarie (carbon fossili e idrocarburi) e solo dopo milioni di anni può tornare in circolazione. Il ciclo dell ossigeno - L ossigeno viene liberato durante i processi fotosintetici attraverso la scissione delle molecole d acqua. Con la respirazione e la combustione, l ossigeno ritorna all ambiente formando, con l idrogeno, nuova acqua. Una parte, molto piccola, viene immagazzinata anch essa in alcune rocce sedimentarie (pensate agli ossidi). Anche questo ciclo dura diversi milioni di anni Il ciclo dell azoto - Come abbiamo visto l azoto costituisce più del 78% dell atmosfera ma nè i produttori nè i consumatori sono in grado di utilizzarlo direttamente; esistono dei particolari organismi unicellulari, detti batteri azotofissatori, capaci di fissare l azoto formando alcuni composti come nitrati e ammoniaca. Le piante prelevano l azoto da queste sostanze e lo incorporano nei costituenti delle loro foglie e dei loro corpi in genere che serviranno come nutrimento per i consumatori. Lungo la rete alimentare una parte dell azoto si libera nei cadaveri e nei rifiuti e i batteri decompositori la ritrasformano in nitrati e ammoniaca. Il ciclo è mantenuto in equilibrio grazie all azoto restituito all atmosfera dall azione di batteri detti denitrificanti (tipici di stagni, paludi e acquitrini) che demoliscono i composti azotati liberando azoto gassoso. Il ciclo del fosforo - Un altro ciclo importante per gli organismi è quello del fosforo. Questo elemento si ritrova nei gusci delle conchiglie, nelle ossa e nei denti e, come vedremo in seguito (parte 6 ), è utilizzato dagli organismi nei trasferimenti energetici che avvengono all interno dei loro corpi. Il fosforo è presente in quantità molto limitate e si concentra soprattutto nei fosfati. Man mano che si sciolgono nell acqua, o penetrano nel suolo o vengono trasportati dai fiumi fino al mare. Solo le piante assorbono i fosfati,attraverso l apparato radicale, che poi passano nella rete alimentare fino ai decompositori, che li rimettono in ciclo. I fosfati che raggiungono il mare difficilmente si sciolgono e si depositano sul fondo dove vengono assorbiti dalle alghe marine e da qui ai pesci e agli uccelli, che riportano parte dei fosfati al terreno con i loro rifiuti. L ecosistema è un sistema dinamico Come abbiamo visto ogni ecosistema è attraversato da un flusso di materia e di energia e può essere considerato una specie di organismo che si accresce e si sviluppa, un sistema dinamico destinato a cambiare nel tempo. La trasformazione che subisce un ecosistema sono quasi sempre difficili, da seguire perchè avvengono molto lentamente. A volte, però, un brusco cambiamento ha effetti più rapidi sulle caratteristiche di una comunità. In questi casi è possibile assistere alla trasformazione dell ecosistema in un altro ( successione ecologica). Tra le successioni ecologiche più frequenti vi è la trasformazione di un campo abbandonato in un bosco, l interramento di un lago, ecc. La maggior parte delle associazioni vegetali ed animali

5 5 sono in continua trasformazione. Un gruppo di organismi prende il posto di un altro e questo ancora di un altro, e così via; in tal modo l associazione cambia attraverso una successione di comunità diverse. Le successioni sono determinate da modificazioni apportate nell ambiente fisico, e culminano con l affermarsi di quell ecosistema che è il più stabile da un punto di vista ecologico. Durante la fase di transizione da una comunità ad un altra si trovano mescolati insieme organismi della vecchia comunità e quelli della nuova, che si sta formando, in competizione tra loro per spazio e per nutrimento. La comunità finale stabile, che rappresenta lo stadio finale nella serie delle trasformazioni, e che non viene più sostituita da nessun altra, prende il nome di climax. Il climax è caratterizzato da una biomassa maggiore, da un maggior numero di organismi animali, da una maggiore complicazione della rete alimentare. Lo stadio finale di una successione sembra essere determinato dal clima e della geologia del luogo. Eventi calamitosi sia naturali (la siccità, le inondazioni, eruzioni vulcaniche) che antropici (incendi, pascoli, agricoltura) possono però interrompere il processo di successione; il climax così può venire alterato e può tornare temporaneamente ad uno stadio iniziale.