Ecologia ed educazione ambientale

1. Luca Fiorani Ecologia ed educazione ambientale Lezione 4 Ecosistemi e loro funzionamento: collegamenti in natura

2. L'ecologia e la vita • Come abbiamo già visto, la parola ecologia deriva dal greco οίκος (oikos) e λόγος (logos) e significa quindi studio dell’ambiente. Il termine risale al 1866, quando Ernst Haeckel lo definì come l’indagine delle relazioni di un animale con il suo contesto che, secondo Darwin, sono le condizioni della lotta per l’esistenza. 2

3. L'ecologia e la vita • Organismo • Specie (stimate5-100milioni, note 1.8 milioni) • Popolazione(diversità genetica) • Comunità (habitat) • Ecosistema • Biosfera o ecosfera 3

4. L'ecologia e la vita • Farfalle monarca ed euforbia • Diversità genetica nella chiocciola dei Caraibi 4

5. L'ecologia e la vita • Che cos'è la vita? • gli organismi viventi sono formati da cellule che hanno strutture interne e funzioni altamente organizzate (dai batteri in su) • gli organismi viventi hanno molecole di DNA tipico in ciascuna cellula • gli organismi viventi catturano e trasformano la materia e l'energia dall'ambiente per soddisfare le loro necessità per la sopravvivenza, la crescita e la riproduzione (metabolismo) 5

6. L'ecologia e la vita • gli organismi viventi mantengono condizioni interne favorevoli nonostante i cambiamenti nell'ambiente esterno, se questo non è stressato • gli organismi viventi si perpetuano attraverso la riproduzione, cioè la produzione di figli da parte di uno o più genitori (riproduzione asessuata e sessuale) • gli organismi viventi si adattano ai cambiamenti delle condizioni ambientali attraverso il processo di evoluzione 6

7. I sistemi che sostengono la vita sulla Terra • Atmosfera (troposfera, stratosfera) • Idrosfera (criosfera) • Litosfera • Biosfera o ecosfera • Noosfera(Pierre Teilhard de Chardin,paleontologo e teologo) 7

8. I sistemi che sostengono la vita sulla Terra • La vita sulla Terra dipende da tre fattori: • flusso di energia di alta qualità dal Sole (torna nello spazio come energia di bassa qualità) • ciclo della materia (apporto trascurabile dallo spazio) • gravità (trattiene l'atmosfera e garantisce i cicli) 8

9. I sistemi che sostengono la vita sulla Terra • Il Sole: • fornisce l'energia per la fotosintesi • alimenta il ciclo della materia • guida i sistemi climatici (distribuzione di calore e acqua dolce sulla superficie terrestre) • riscalda l'atmosfera (effetto serra naturale) 9

10. Concetti e componenti dell'ecosistema • Bioma: vasta regione caratterizzata da condizioni climatiche e forme di vita, specialmente vegetali (foresta, prateria, deserto…) • Zone di vitaacquatica 10

11. Concetti e componenti dell'ecosistema • Bioma: contiene molti ecosistemi • Ecosistema: comprende componenti abiotici (acqua, aria, nutrienti ed energia solare) e biotici (microorganismi, piante, animali) • Biota: insieme dei componenti biotici 11

12. Concetti e componenti dell'ecosistema • Ecosistema d'acqua dolce 12

13. Concetti e componenti dell'ecosistema • Ecosistema in un campo 13

14. Concetti e componenti dell'ecosistema • Ambito di tolleranza ai componenti abiotici 14

15. Concetti e componenti dell'ecosistema • Legge della tolleranza: l'esistenza, l'abbondanza e la distribuzione di una specie in un ecosistema sono determinate dal livello di uno o più fattori fisici e chimici che cadono all'interno del suo ambito di tolleranza • In altre parole ci sono limiti minimi e massimi per le condizioni fisiche e chimiche (limiti di tolleranza) oltre i quali nessun organismo di una specie può sopravvivere 15

16. Concetti e componenti dell'ecosistema • Molti fattori influiscono su una popolazione • Il fattore limitante è quello più importante • Principio del fattore limitante: qualsiasi fattore abiotico in dosi troppo piccole o troppo grandi può limitare o impedire la crescita di una popolazione, anche se tutti gli altri fattori sono nell'ambito ottimale di tolleranza • Es.: terreno con acqua, azoto, potassio… a livelli ottimali ma privo di fosforo: il grano non cresce (anche il troppo stroppia!) • Ecosistemi marini: O2 disciolto, nutrienti, salinità 16

17. Concetti e componenti dell'ecosistema • Gli organismi sono produttori o consumatori • I produttori (autotrofi) ottengono il cibo dai composti dell'ambiente con la fotosintesi:6 CO2+6 H2O+ energia solare → C6H12O6+ 6 O2o dalla chemiosintesi (senza energia solare) • I consumatori (eterotrofi) sono erbivori (consumatori primari), carnivori (secondari se si nutrono solo di primari, terziari se si nutrono solo di altri carnivori), onnivori, saprofagi, detritivori e decompositori (mangiano tutto ciò che è biodegradabile e chiudono il ciclo dei composti) 17

18. Concetti e componenti dell'ecosistema 18

19. Concetti e componenti dell'ecosistema • Respirazione aerobica (respirazione):C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energia • Respirazione anaerobica (fermentazione):C6H12O6(o altri composti organici) → metano, alcol etilico, acido acetico, acido solfidrico + energia • Un organismo dipende dal flusso di materia e di energia • L'ecosistema dipende dalla ricircolazionedi materia e dal flusso di energia • Importanza dei decompositori 19

20. Concetti e componenti dell'ecosistema 20

21. Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema • La sequenza di organismi, ciascuno dei quali è fonte di cibo per il successivo, è chiamata catena alimentare • La catenaalimentare determina il flusso di materia e di energia • Livello trofico 21

22. Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema • Gli ecosistemi reali sono piùcomplessi: i consumatori mangiano e sono mangiatida più di un organismo • Rete alimentare: insieme delle catene alimentari • Rimangono i livelli trofici 22

23. Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema • Ciascun livello trofico contiene biomassa (materia organica secca) • L'energia è trasferita da un livello all'altro (parte è dispersa come calore) • Efficienza ecologica: se è il 10% e le piante di un ecosistema catturano 10,000 kcal, 1000 saranno disponibili per gli erbivori e 100 per i carnivori • Piramide del flusso di energia • Se consumassimo più vegetali, la Terra potrebbe sostenere una popolazione maggiore 23

24. Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema Ecosistema acquaticoSilver SpringUnità: kcal m-2y-1 24

25. Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema • Piramide di biomassa • Piramide dei numeri 25

26. Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema • Produttività primaria lorda (PPL): velocità con cui i produttori usano la fotosintesi per far aumentare la loro biomassa • Produttività primaria netta (PPN): PPL meno la velocità con cui i produttori usano la respirazione per la vita (riducendo la loro biomassa) • La produttività primaria si misura in g m-2y-1 • La PPN della Terra ne determina la capacità portante per tutte le specie 26

27. Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema 27

28. Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema 28

29. Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema • Dovremmo coltivare estuari, paludi e foreste pluviali? Probabilmente non funzionerebbe: ad es., nelle foreste pluviali, il suolo è povero • Il terreno agricolo, nonostante i fertilizzanti, non è il più produttivo • L'umanità usa, spreca o distrugge circa il 40% della PPN degli ecosistemi terrestri: se la popolazione raddoppiasse, non resterebbe molto alle altre forme di vita 29

30. Il ciclo della materia nell'ecosistema • Un nutriente è qualsiasi atomo, ione o molecola necessario a un organismo per vivere, crescere o riprodursi • Alcuni elementi (C, O, H, N, P, S, Ca) sono necessari in grandi quantità, altri (Na, Zn, Cu, I) in misura minore • I nutrienti sono riciclati nei cicli dei nutrienti o cicli biogeochimici (connessione passato-futuro) • I cicli biogeochimici sono alimentati dall'energia solare e guidati dalla gravità 30

31. Il ciclo della materia nell'ecosistema • Ciclo dell'acqua 31

32. Il ciclo della materia nell'ecosistema • Umidità assoluta e relativa • Nuclei di condensazione (ceneri vulcaniche, sali marini, particolato industriale…) • Punto di rugiada • Modellazione del paesaggio • Impatti: • prelievo (esaurimento della falda, salinizzazione…) • disboscamento (erosione, inondazioni, impoverimento della falda…) • inquinamento (eutrofizzazione) 32

33. Il ciclo della materia nell'ecosistema • Ciclo del carbonio • Mediante CO2 regola il clima • Impatti: combustibili fossili e deforestazione 33

34. Il ciclo della materia nell'ecosistema • Ciclo dell'azoto 34

35. Il ciclo della materia nell'ecosistema • Impatti: • emissione di NO (bruciando i combustibili) che si trasforma in NO2 e in HNO3 (piogge acide: alterazione dei sistemi acquatici, proliferazione delle erbacce, degradazione dei monumenti…) • emissione di NO2 (batteri che agiscono sui rifiuti) gas serra e killer dell'ozono • rimozione dalla crosta terrestre (miniere) • rimozione dal suolo (bruciando, disboscando, irrigando) • immissione nelle acque (eutrofizzazione) 35

36. Il ciclo della materia nell'ecosistema • Ciclo del fosforo 36

37. Il ciclo della materia nell'ecosistema • I batteri sono meno importanti • Poco fosforo circola in atmosfera (polvere) • Il ciclo è lento • Il fosforo è presente sotto forma di sali fosfatici nelle rocce e nei sedimenti • Il fosforo è spesso un fattore limitante • Impatti: • estrazione mineraria • deforestazione e dilavamento • immissione nelle acque (eutrofizzazione) 37

38. Il ciclo della materia nell'ecosistema • Ciclo dello zolfo • Lo zolfo è presente sotto forma di solfati nelle rocce e nei sedimenti • Circa un terzo dello zolfoatmosferico è antropico • Impatti: • immissione (piogge acide) • bruciando i combustibili fossili • raffinando il petrolio • producendo i metalli 38

39. Come fanno gli ecologi a conoscere gli ecosistemi? • Ricerca sul campo: "biologia degli stivali fangosi", anche con telerilevamento e GIS • Ricerca in laboratorio: osservando un ecosistema modello si scompone la complessità (esperimenti controllati) e si analizza la causalità • Analisi dei sistemi: sviluppo di modelli al computer che simulano i sistemi, riproducendone la complessità • L'analisi dei sistemi necessita della ricerca in laboratorio e deve essere validata sul campo 39

40. I servizi dell'ecosistema e la sostenibilità • Gli ecosistemi forniscono servizi all'uomo (capitale naturale): • diversità genetica, specifica ed ecologica (la biodiversità è la polizza naturale contro i disastri) • aria, acqua, cibo, energia, materie prime, sostanze chimiche… (centinaia di miliardi di $) • riciclaggio, purificazione, controllo degli infestanti • Gli ecosistemi raggiungono la sostenibilità: • usando l'energia solare (rinnovabile) • riciclando i nutrienti 40

41. Fine della lezione… 41