1. Plancton, perché ?

1. PLANCTON ED ECOLOGIA ACQUATICA Docenti di scienze, aggiornamento XX - 7 maggio 03 SM Gordola , C.Scascighini* 1. Plancton, perché ? 2. Plancton: componenti, ambiente, adattamenti 3. Osservazioni di fito- e di zooplancton 4. Alcune proposte didattiche *ringrazio M.Simona del LSA-Paradiso per il materiale e la consulenza forniti

2. 1. Plancton nella SM perché ? Giustificazioni: - ha una storia antica: le prime alghe da 2 a 3 miliardi di anni, le piante terrestri da 550 milioni di anni - ha reso possibile la vita aerobica sulla terraferma - rappresenta la produzione primaria nelle acque ed è alla base di quasi tutte le reti trofiche

3. - è poco conosciuto perché microscopico e di non sempre facile determinazione - è invece relativamente facile da trovare perché il nostro è un paese ricco di laghi e di stagni - è un tema ideale per trattare un ecosistema acquatico integrando biologia, fisica e chimica - le forme e gli adattamenti sono fonte di continua meraviglia: ma anche occasione per trasmettere il rispetto e l’amore per il nostro ambiente

4. Ambiente: gli organismi planctonici vivono soprattutto nella zona eufotica ma devono lottare costantemente contro l’affondamento: : noi ci muniamo di un galleggiante o impariamo a nuotare, loro fanno … esattamente lo stesso radiazione solare zona eufotica zona oscura 2.Plancton: componenti, ambiente, adattamenti Plancton (dal gr. plankton = errante) è l’insieme degli esseri viventi, fluttuanti nelle acque marine o dolci e incapaci di contrastare il movimento dell’acqua Componenti: se ne distinguono tre ben caratterizzate: - batteri - fitoplancton - zooplancton cui vanno aggiunti anche organismi meno studiati e conosciuti quali funghi e virus

5. Cyclops sp. 1 - 2 mm Adattamentiper ritardare l’affondamento Passivi : - per frenare nell’acqua si deve aumentare il rapporto superficie/volume, ciò conduce alle forme microscopiche - tegumenti e gusci delicati, leggerissimi e trasparenti (adatti per sfuggire alla vista dei predatori)

6. Eudorina elegans 120 micron Larva naupliare di un copepode 0,7 mm - guaine gelatinose della stessa densità dell’acqua (alghe, rotiferi) - riserve alimentari sottoforma di goccioline di grasso (flagellate, diatomee, rotiferi, copepodi)

7. Oscillatoria redekei 250 micron Asterionella 180 micron - bollicine di gas (pseudovacuoli) trattenute entro il corpo (alghe blu) - protuberanze che aumentano la resistenza del corpo sull’acqua (alghe e crostacei)

8. 6 Polyphemus 1,5 mm - 7 Bythotrephes 9 mm 8 Leptodora 1,2 cm Ceratium hirundinella 170 micron Adattamenti attivi : - alghe con flagelli, animaletti dello zooplancton muniti di ciglia, antenne e protuberanze articolate

9. Cyclotella sp. 30-40 micron Le diatomee sono costituite da gel di silice idratata, del tipo dell’opale, che le rende dure e resistenti come il vetro e che costituisce la struttura della membrana avvolgendo il protoplasma con le due teche, in modo simile a una capsula di Petri. Le valve sono scolpite in modo incredibilmente vario, con linee, reticolati, fossette, verruche, ecc. Le diatomee sono sempre unicellulari e alcune specie formano colonie.

10. Cyphoderia sp. 100 micron Calanus sp. 1-2 mm Asplanchna sp. 600 micron Come si nutre lo zooplancton Mentre le alghe per la loro esistenza dipendono passivamente dalla disponibilità di luce, acqua, diossido di carbonio e sali minerali, lo zooplancton che si nutre di batteri, detritoorganico sospeso e alghe (edibili solo il 3-9% della loro biomassa!),cattura l’alimento con quattro modalità diverse: - per inglobamento (eliozoi e tecolobosi) - per centrifugazione (rotiferi) - per filtrazione (la maggior parte dei crostacei) - per predazione (certi rotiferi e crostacei)

11. Cyclops sp. 1-2,5 mm Daphnia sp. 2-3 mm Due crostacei filtratorifacili da osservare e frequenti nel plancton d’acqua dolce da Kükenthal, Leitfaden für das zoologisce Praktikum, Fischer

12. Plancton al microscopio 0 - 1 = 1 mm * = zooplancton * = fitoplancton * = batteri

13. 3. Osservazioni di fito- e di zooplancton Cattura: il plancton si raccoglie filtrando l’acqua attraverso un retino che abbia una maglia: da 20 a 60 micron per il fitoplancton da 40 a 100-200 micron per lo zooplancton I due retini proposti nell’elenco del nostro materiale scientifico hanno rispettivamente le maglie di circa 60 e 100 micron e per piccole raccolte funzionano discretamente Attività di laboratorio, si prevedono le seguenti osservazioni: - zooplancton vivo, in una capsuletta di Petri aperta, con lo stereomicroscopio 10x fino 40x -Daphnia, Cyclops o Diaptomus vivi, posti nell’incavo di un portaggetto, al miscroscopio con 40x e 100x - fitoplancton vivo, su portaoggetto con coprioggetto, al microscopio con 40x, 100x e 400x Determinazione delle specie più facili da riconoscere : tre tabelline (Plankton EAWAG, Zürich) riguardanti i rappresentanti più importanti del plancton d’acqua dolce. Per il fitoplancton le alghe cianoficee, le flagellate, le cloroficee e le diatomee , per lo zooplancton i protozoi, i rotiferi e i crostacei Guida consigliata: Streble-Krauter, ATLANTE DEI MICRORGANISMI ACQUATICI, Muzzio

14. Plankton, - EAWAG, Zürich

15. Plankton, - EAWAG, Zürich

16. Plankton, - EAWAG, Zürich

17. Es 2 : costruzione di semplici catene e reti alimentari 4. Alcune proposte didattiche A)in 2a media nell’ambito del tema Organismi semplici Es 1 :osservazione, disegno e determinazione di fito- e di zooplancton vivo Quale la più stabile? Perché?

18. Luccio 9 m 1m Es 3su un foglio A4, costruzione in scala 10 : 1 di una catena alimentare composta da fitoplancton (50 micron), zooplancton ( 2 mm), alborella (12 cm), luccio (90 cm) Fitoplancton 0,5 mm Zooplancton 2 cm Alborella 0,20 x 1,20 m

19. Es 4riproduzione vegetativa o clonazione Le alghe diatomee si riproducono così in fretta che una di loro , in un mese, può dare origine a un miliardo di discendenti. Possibile? In condizioni estremamente favorevoli una diatomea è in grado di dar origine a due diatomee entro 24 ore e così di seguito. Costruisci una tabella che rappresenti l’evoluzione di questa crescita, partendo dal 1° giorno con un’ alga fino al 31° giorno con…………….……………... alghe Osserva quanti discendenti ci sono dopo 15 giorni, dopo 30 e dopo 31 giorni: cosa ti sorprende? Se potessi disegnare il grafico, quale tipo di risultato prevedi? Prova a preparare un grafico solo per i primi 7 giorni e poi … immagina il resto

20. Es 1 nutrienti B) in quarta media nell’ambito del tema ecologia, ma anche genetica ed evoluzione energia piante acq. fitoplancton erbivori C2 zooplancton C1 C3 mangiatori di detriti batteri

22. Es. 2 Il ciclo del carbonio a) riconoscere le reazioni opposte di FOTOSINTESI e di RESPIRAZIONE b) spiegare in quali sostanze organiche viene sintetizzato il carbonio c) scrivere le reazione chimiche della fotosintesi e della respirazione

23. 1 aria - 2 acqua - 3 fango - 4 piante acquatiche, alghe - 5 animaletti (chiocciole, vermi, crostacei, rotiferi, ciliati, ...) 6 vetro - 7 carta velina http://www.beachworld.it/it/italiano/attivita.html http://www.beachworld.it/it/italiano/biobig.html Es 3 La biosfera E’ costituita da un contenitore chiuso ermeticamente, esposto a luce diffusa, e deve contenere dell’aria, dell’acqua di lago o di stagno e del fango per esempio di palude. Vi devono essere rappresentati i diversi livelli trofici e cioè: a) PRODUTTORI : alghe, piante acquatiche b) CONSUMATORI : chiocciole, zooplancton, … c) DECOMPOSITORI : vermi, batteri, ... Esperimenti con Elodea: www.racine.ra.it/curba/elodea/index.htm http://utenti.rete039.it/classiinrete/classi2/scienze/fotosintesi/elodea/agrate_230502.htm http://utenti.rete039.it/classiinrete/classi2/scienze/fotosintesi/simulazione/agrate_050602.htm

24. Lago di Lugano, Gandria 2002 Es 4 Effetti stagionali delle variazioni termiche nel corpo d’acqua In laghi profondi si hanno teoricamente due periodi di stratificazione termica (estiva e invernale) e due periodi di isotermìa che permettono, grazie ai venti, la circolazione completa delle acque. Gli effetti sull’ecosistema sono - l’ossigenazione delle acque profonde - l’arricchimento di sali minerali negli strati superficiali delle acque I nostri grandi laghi (Verbano e Ceresio) sono di tipo subtropicale, nei quali la temperatura delle acque profonde è sempre superiore a 4°C (tra 6 e 7°C) ma con una ben definita stratificazione termica : in essi avviene un solo periodo di piena circolazione a fine inverno. Interpreta e discuti il grafico riferito al Ceresio:

25. Es 5 Il fenomeno della fioritura delle alghe (flos aquae) La causa di variazioni improvvise del colore delle acque è da imputarsi a un imponente e repentino accrescimento generalmente di una certa specie di alga componente il fitoplancton. In un millilitro d’acqua si possono contare delle decine di migliaia di individui . Per capire bene il fenomeno bisogna ricordare i 4 parametri necessari per l’attività fotosintetica : mentre la presenza di acqua e di diossido di carbonio può essere ritenuta costante, l’energia luminosa solare e la disponibilità di sali minerali variano notevolmente nel corso delle stagioni e diventano i fattori limitanti. A) Qual è la causa del crollo della popolazione algale primaverile? E quale quella per il crollo autunnale? B) Solo le diatomee necessitano di sali di silicio per il loro sviluppo, le altre alghe soprattutto sali di azoto e fosforo: cerca di interpretare il grafico sottostante

26. Lago Verbano, Suna 1973-74 Es 6 Relazione preda-predatore 1° caso : una preda e un predatore grandi fluttuazioni nelle popolazioni 2° caso : due prede e un predatore maggiore stabilità, poiché il predatore caccia di regola la specie più frequente, permettendo all’altra di ricostituirsi Osserva il grafico riguardante una popolazione di idre che si nutreessenzialmente di zooplancton: a) secondo te quale tipo di relazione si può ipotizzare? b) prova a immaginare e a disegnare come sarebbero le curve delle popolazioni dello zooplancton (rosso) e del fitoplancton (verde)

27. Es 7 La piramide alimentare “Una megattera (Megaptera nodosa) che non è per nulla la balena più grossa, per sentirsi sazia deve avere nello stomaco una tonnellata di aringhe, pari a circa 5000 pesci. Ogni aringa a sua volta, ha nello stomaco forse sei o settemila crostacei, dei quali ognuno contiene circa 130000 alghe diatomee. In altre parole: circa 400 miliardi di alghe sono sufficienti al massimo per alcune ore a saziare la fame di una balena di media grandezza, lunga 11-16 m e pesante circa 50 t” (da You and the Universe di N.J.Berrill) A ogni scalino della piramide soltanto 1/10 di tutto il nutrimento viene trasformato in biomassa. Cioè, per fare 1 Kg di zooplancton sono necessari 10 Kg di fitoplancton, e così via. Dove vanno i 9/10 del nutrimento ?

28. 1200 KJ 200 KJ Nutrimento 1500 KJ 8000 KJ 4500 KJ Nutrimento 14000 KJ 26000 KJ 50000 KJ Luce assorbita 90000 KJ Es 8 La piramide dell’energia Osservando da vicino il flusso di energia attraverso le catene alimentari, si nota come solo una parte dell’energia venga utilizzata dal consumatore successivo mentre il resto si disperde sotto forma di calore: così, affinchè un ecosistema possa durare nel tempo è necessario un continuo apporto di energia solare al sistema stesso. 100 KJ Quantitativamente la perdita di energia a ogni passaggio della catena alimentare è notevole, si stima all’incirca il 90%, con un guadagno medio di circa solo il 10% ! CARNIVORI E R B I V O R I Respirazione CALORE Organismi morti + escrementi CALORE Calcola la % dell’energia trasmessa dai vegetali agli erbivori e da questi ai carnivori. Calcola anche le altre % di dispersione e discuti. V E G E T A L I

29. D C B A Es 9 Le sostanze nocive nella catena alimentare Per effetto della conservazione della materia e per effetto delle catene alimentari, le sostanze nocive si accumulano in dosi sempre più grandi (per la stessa unità di massa) nei consumatori di ordine superiore, uomo compreso Considera attentamente la seguente catena alimentare: A = 100 Kg di fitoplancton + 100 mg di sostanze nocive B = 10 Kg di zooplancton + 100 mg di sostanze nocive C = 1 Kg di alborelle + 100 mg di sostanze nocive D = 0.1 Kg di persico + 100 mg di sostanze nocive a) Se l’uomo, invece di mangiare 100 g di persico, si nutrisse con 100 g di alborelle oppure con 100 g di zooplancton oppure con 100 g di fitoplancton, quanta sostanza nociva assumerebbe per ogni caso? Calcola b) Considerato che l’uomo è onnivoro, cosa è prudente di pensare? c) Calcola quanti umani mangerebbero 100 g di alimento per ogni scalino della catena alimentare: cosa ti fa pensare questo risultato ?

30. Es 10 Le zone produttive oceaniche Si trovano laddove il fitoplancton può svilupparsi, cioè dove le sostanze minerali nutritive sono portate in superficie da correnti sottomarine o trasportate ai mari dai fiumi. Le macchie più chiare indicano i deserti biologici” (da H.U.Sverdrup, Scientific American 9/69) Quali sono dunque le zone più produttive?

31. Produzione primaria oceanica tramite rilevamento satellitare della clorofilla a NASA, giugno 02

32. Produzione primaria oceanica tramite rilevamento satellitare della clorofilla a NASA, dicembre 02

33. Bibliografia Per l’allievo: - Biologia e protezione delle acque, Dip. Interno, Berna 1970 - Le milieu lacustre, N3/83, LSPN - Il mare deve vivere, Panda 1/78, WWF Svizzera Per il docente: - Streble e Krauter, Atlante dei microrganismi acquatici, 1984 Muzzio - Lampert e Sommer, Limnoökologie, 1999 Thieme - Tonolli V., Introduzione allo studio della limnologia, 1973 Ist. Ital. di Idrobiologia, Pallanza - P.G.Falkowski, L’invisibile foresta degli oceani, Le Scienze 410/ ott. 2002, p 82-88 Alcuni siti : - info su fito- : http://www.bio.unipd.it/limno/informa/infoEcol/immagini_ fitoplancton.htm e zooplancton: http://www.bio.unipd.it/limno/informa/infoEcol/immagini_ zooplancton.htm - info sui copepodi: www.obs-vlfr/~gaspari/copepodes - immagini di diatomee al microsc. elettr. : www.bgsu.edu/departments/biology/facilities/algae_link.html - mappe oceaniche Nasa: http://seawifs.gsfc.nasa.gov/SEAWIFS.html , poi cliccare sul bottone Global Sea WiFS BrowseUtility

34. Per concludere: non pochi appassionati di microscopia si dedicano allo studio delle diatomee per motivi puramente estetici, ma ci sono anche architetti e designer che si interessano alle diatomee per motivi un po’ più pratici ...

37. CHA COSA E’ ? - per il biologo questa è una diatomea (Fragilaria crotonensis - 240 micron), clone di alghe unicellulari, silicee, ... - per il chimico è la sede di reazioni con le quali si fabbricano carboidrati e si libera un gas di scarto, l’ossigeno, ... - per il fisico è una scatola nera che trasferisce energia dal portatore luce ai portatori calore e carboidrati, ... Le tre risposte sono un modo per interpretare questa immagine, ma quante altre se ne potrebbero provare ? Penso che dovremmo offrire ai nostri allievi la possibilità di stupirsi e di interrogarsi davanti alle affascinanti e intriganti immagini del mondo naturale; le interpretazioni le forniremo poi, gradualmente.