Ecologia ed educazione ambientale

1. Luca Fiorani Ecologia ed educazione ambientale Lezione 5 Evoluzione, comunità e diversità biologica

2. La vita e le sue origini • Gli organismi sono procarioti (batteri) o eucarioti • Procarioti significa "prima del nucleo": i batteri sono cellule prive di nucleo e organuli • Tassonomia: la procedura con cui si ottiene la classificazione degli organismi, ad es. in regni: • moneri (procarioti e microrganismi) • protisti (spesso eucarioti e microrganismi) • funghi (spesso eucarioti e microrganismi) • piante (eucarioti) • animali (eucarioti) 2

3. La vita e le sue origini • Esempio (semplificato): • dominio: Eukaryota • regno: Animalia • phylum: Chordata • classe: Mammalia • ordine: Primates • famiglia: Hominidae • genere: Homo • specie: Homo sapiens 3

4. La vita e le sue origini • Batteri: • cianobatteri (fotosintesi) • decompositori • Streptococcus (polmonite) • flora batterica 4

5. La vita e le sue origini • Protisti: • flagellati • parameci • diatomee (fotosintesi) • alcune alghe • detritivori e parassiti • amebe (amebiasi) • plasmodio (malaria) • tripanosoma (malattiadel sonno) 5

6. La vita e le sue origini • Funghi: • funghi commestibili • muffe • fermenti 6

7. La vita e le sue origini • Piante: pluricellulari e in genere fotosintetiche • muschi • felci • conifere (gimnosperme) • fiori (angiosperme) • annue/perenni 7

8. La vita e le sue origini • Animali: pluricellulari e non fotosintetici • vertebrati: mammiferi, uccelli, rettili, anfibi, pesci • invertebrati: spugne, meduse, polipi, planarie, vermi, artropodi (insetti, millepiedi, gamberi, ragni), molluschi (lumache, vongole, polpi, calamari), echinodermi (ricci di maree stelle marine) 8

9. La vita e le sue origini • I fossili ci danno informazioni (lacunose) • L'evoluzione della vitae l'evoluzione dellecondizioni fisico-chimiche della Terrasono strettamentecollegate 9

10. La vita e le sue origini • Evoluzione chimicadelle molecole organiche, dei biopolimeri e dei sistemi di reazioni chimiche necessarieper formare le primecellule (circa un miliardo di anni) 10

11. La vita e le sue origini • Evoluzione biologicaa partire degli organismi unicellulari(prima procarioti e poieucarioti) fino a quellipluricellulari (circa 3.7-3.8 miliardi di anni) 11

12. La vita e le sue origini • Evoluzione chimica: • 4.6-4.7 miliardi di anni fa: condensazione della nuvola di polvere cosmica primordiale • vulcani e impatti cosmici: formazione di idrosfera e atmosfera (4.4 miliardi di anni fa): CO2, N2, H2O, CH4, NH3, H2S, HCl (l'O2 è mantenuto dagli organismi fotosintetici) 12

13. La vita e le sue origini • Formazione delle molecole organiche • fulmini, calore (vulcani) e raggi UV hanno favorito la sintesi di molecole organiche (ipotesi di Oparin, esperimento di Miller) • origine cosmica (polvere cosmica primordiale, meteoriti, comete) • bocche idrotermali sottomarine (minerali e calore) • Formazione di proteine e acidi nucleici • Formazione di protocellule 13

14. Evoluzione e adattamento • L'evoluzione biologica è la risposta adattiva degli organismi ai cambiamenti delle condizioni ambientali, attraverso cambiamenti genetici delle popolazioni (non degli individui) • Secondo la teoria dell'evoluzione le specie discendono da altre più primitive, spiegando cambiamenti nel tempo e diversità attuale: • microevoluzione: piccoli cambiamenti in una popolazione • macroevoluzione: cambiamenti su larga scala e a lungo termine (speciazione ed estinzione) 14

15. Evoluzione e adattamento • Microevoluzione: • sviluppo della variabilità genetica: il pool genico (insieme dei geni degli individui di una popolazione) cambia nel tempo • generalmente un gene si presenta in due forme (alleli). Es.: il gene "colore dei capelli" si presenta come "allele capelli chiari" e "allele capelli scuri" • la riproduzione sessuale porta ad una combinazione casuale di alleli, diversa per ogni individuo (alleli dominanti e recessivi, genotipo e fenotipo) • senza variabilità genetica non c'è evoluzione 15

16. Evoluzione e adattamento • lo sviluppo della variabilità genetica avviene attraverso mutazioni, cambiamenti nel DNA • una mutazione può avvenire in seguito a: • esposizione a radioattività, raggi X, sostanze chimiche naturali o antropiche (mutagene) • errori casuali di trascrizione del DNA durante la riproduzione (solo le mutazioni dei gameti – spermatozoo e ovocita – sono trasmesse) • le mutazioni possono essere dannose (anche letali), indifferenti e vantaggiose • le mutazioni sono rare, casuali/imprevedibili e unica fonte di nuovo materiale genetico 16

17. Evoluzione e adattamento • se in una popolazione: • c'è variabilità genetica • le nuove caratteristiche sono ereditabili (base genetica) • le nuove caratteristiche implicano una riproduzione differenziata (maggior numero di discendenti) avviene l'evoluzione per selezione naturale • le nuove caratteristiche sono chiamate adattamento o carattere adattativo • riassumendo, la microevoluzione consiste in mutazione dei geni, selezione degli individui, evoluzione delle popolazioni 17

18. Evoluzione e adattamento • Es. di microevoluzione (falena Biston betularia): • due colorazioni (variabilità genetica) • colorazioni ereditarie (ereditarietà del carattere) • una colorazione è favorita (riproduzione differenziata) 18

19. Evoluzione e adattamento • Coevoluzione: un adattamento in una specie induce una risposta adattativa nelle specie con cui interagisce (ad es.: predatori e prede) • L'adattamento non è illimitato: • un cambiamento ambientale può favorire caratteristiche genetiche già presenti nel pool genico • la capacità di adattamento è limitata dalla velocità riproduttiva • La selezione naturale prevede la morte e l'impossibilità di riprodursi 19

20. Evoluzione e adattamento • La sopravvivenza del più adatto non è del più forte ma di quello che si riproduce di più: non lotta, ma assenza di competizione diretta e occupazione di una nicchia ecologica vuota • Gli umani non si sono evoluti dalle scimmie antropomorfe (esiste invece un antenato comune) • L'evoluzione non segue un disegno naturale diretto a realizzare organismi più perfetti (punto di vista scientifico) 20

21. Speciazione, estinzione e biodiversità • Speciazione: formazione di specie nuove a partire da una specie iniziale • La speciazione allopatrica ha luogo in due fasi: • isolamento geografico (formazione di una barriera geografica, emigrazione, trasporto passivo da vento o correnti) • isolamento riproduttivo (le mutazioni e la selezione naturale producono una divergenza genetica, finché un maschio e una femmina delle due nuove specie non possono riprodursi o generano prole sterile) 21

22. Speciazione, estinzione e biodiversità • A questo punto si sono formate due nuove specie per divergenza evolutiva • La speciazione richiede centinaia/milioni di anni • Es.: volpe artica e volpe comune 22

23. Speciazione, estinzione e biodiversità • Quando cambiano le condizioni ambientali, una specie può evolvere o estinguersi • Speciazioni ed estinzioni sono state influenzate da: • deriva dei continenti • cambiamenti climatici lenti (ad es.: variazione dell'inclinazione dell'asse terrestre) • cambiamenti climatici rapidi (ad es.: eruzioni e meteoriti) • L'estinzione è il destino di ogni specie (le specie attuali sono lo 0.1% delle specie esistite) 23

24. Speciazione, estinzione e biodiversità 24

25. Speciazione, estinzione e biodiversità • Un certo numero di specie si estingue regolarmente: estinzione basale • Se c'è un improvviso aumento del tasso di estinzione, si parla di estinzione di massa • Una crisi per una specie può essere un'opportunità per un'altra • In media la speciazione ha tenuto testa all'estinzione: le estinzioni di massa sono state seguite da periodi di ripresa rapida della biodiversità (radiazione adattativa) con occupazione di nicchie nuove o vacanti 25

26. Speciazione, estinzione e biodiversità 26

27. Speciazione, estinzione e biodiversità • Radiazione adattativa dei mammiferi 27

28. Speciazione, estinzione e biodiversità • L'uomo è causa di estinzione • Nei prossimi 50 anni potrebbe estinguersi un quarto delle specie (sesta estinzione di massa) • Il recupero della biodiversità richiederà milioni di anni • L'ingegneria genetica non potrà aiutare perché non crea nuovi geni ma combina quelli forniti dalla biodiversità naturale • Alcuni scienziati temono che questo processo minacci l'umanità 28

29. Nicchie ecologiche e tipologia delle specie • La nicchia ecologica di una specie descrive il suo modo di vita e le sue funzioni, includendo gli aspetti relativi alla sopravvivenza e alla riproduzione, includendo in particolare: • l'intervallo di tolleranza verso i fattori fisico-chimici • le risorse che utilizza e gli organismi di cui si alimenta • le interazioni con le altre componenti dell'ecosistema, ad es. gli animali con cui compete • il ruolo che gioca nel flusso di energia e nel ciclo della materia nell'ecosistema 29

30. Nicchie ecologiche e tipologia delle specie • Non confondiamo nicchia e habitat (luogo in cui vive la specie): la nicchia è la "professione", l'habitat è l' "indirizzo" • Due specie non possono occupare la stessa nicchia: o una si estingue o entrambe diversificano la propria nicchia 30

31. Nicchie ecologiche e tipologia delle specie • La nicchia fondamentale (o potenziale) è quella che una specie occuperebbe se non ci fossero competitori • Siccome le nicchie si sovrappongono parzialmente, una specie occupa solo una parte della sua nicchia fondamentale, detta nicchia realizzata (o reale) • Comprendere la nicchia ci aiuta a capire l'impatto delle nostre attività su una specie, prevenendone l'estinzione 31

32. Nicchie ecologiche e tipologia delle specie • Le specie generaliste possono vivere in habitat differenti e mangiare cibi diversi (mosche, blatte, topi, ratti, volpi, cinghiali, uomini) • Le specie specialiste possono vivere in pochi habitat, tollerano ristretti intervalli di fattori ecologici o possiedono una dieta ristretta: • salamandra tigre: si riproduce solo negli stagni privi di pesci • picchi: vivono nei vecchi tronchi (nido e cibo) • ghepardo: vive nella savana dove trova le antilopi • panda: mangia quasi soltanto bambù 32

33. Nicchie ecologiche e tipologia delle specie • È meglio essere generalista o specialista? Dipende: quando le condizioni ambientali si mantengono costanti gli specialisti sono avvantaggiati, negli ecosistemi instabili si adattano meglio i generalisti 33

34. Nicchie ecologiche e tipologia delle specie • Analizzando gli ecosistemi, possiamo incontare differenti categorie di specie: • specie indigene (autoctone) • specie aliene (alloctone) • specie indicatrici • specie chiave • Le specie indigene hanno raggiunto un'area in modo naturale (camminando, nuotando, volando o attraverso semi, spore, uova trasportati da vento e correnti) 34

35. Nicchie ecologiche e tipologia delle specie • Le specie aliene sono deliberatamente o involontariamente introdotte dall'uomo: possono entrare in competizione con le specie indigene causandone l'estinzione (ad es.: api assassine) • Le specie indicatrici forniscono informazioni sulla qualità dell'ambiente (ad es.: uccelli insettivori canori, ridotti da deforestazione, frammentazione, inquinamento e bonifiche) • Le specie chiave hanno particolare importanza (ad es.: insetti, pipistrelli, formiche e colibrì impollinano e disseminano le foreste tropicali) 35

36. Interazioni tra specie • Quando differenti specie frequentano lo stesso habitat o sfruttano risorse simili possono interagire fra loro (in modo vantaggioso, svantaggioso o indifferente) • Relazioni interspecifiche: • competizione • predazione • parassitismo • mutualismo • commensalismo 36

37. Interazioni tra specie • Se le nicchie fondamentali di due specie si sovrappongono molto, si ha competizione interspecifica e una delle specie può: • emigrare in un'altra area • cambiare le sue abitudini alimentari o comportamentali • subire un crollo di popolazione • estinguersi localmente o globalmente 37

38. Interazioni tra specie • Se le specie evolvono in modo da ridurre la sovrapposizione delle loro nicchie fondamentali, si parla di ripartizione delle risorse: la stessa risorsa può essere utilizzata in diversi momenti, diversi ambienti e diversi modi 38

39. Interazioni tra specie • L'ecologo Robert H. MacArthur hastudiato le abitudini alimentari di cinquespecie di passeriformi che convivononelle foreste degli Stati Uniti nordorientali:pur trovandosi in competizione per lestesse risorse alimentari (insetti che vivonosugli alberi), riducono la lorocompetizione predando in zone diverse 39

40. Interazioni tra specie • I predatori: • uccidono le prede, divorandone il corpo (interamente o parzialmente) • possono essere di taglia superiore o inferiore (ma non vivono sulle prede o al loro interno) • hanno vantaggio (e le prede svantaggio) • il rapporto predatore-preda è importante: se i rapaci non limitassero la popolazione dei conigli, questi aumenterebbero troppo, distruggendo la vegetazione per poi morire di fame 40

41. Interazioni tra specie • Il parassitismo è quella forma di interazione in cui il parassita si nutre di una piccola parte dell'ospite vivendoci sopra (ectoparassiti) o dentro (endoparassiti) • Il parassita ha vantaggio (e l'ospite svantaggio) • Il parassita: • è generalmente più piccolo dell'ospite • è strettamente associato all'ospite • rende debole, sterile o malato l'ospite (raramente lo uccide) • esercita una funzione di controllo della popolazione 41

42. Interazioni tra specie • Il mutualismo o simbiosi mutualistica è quella forma di interazione in cui entrambe le specie hanno vantaggio. Es.: • api e fiori (le api ricevono nutrimento, i fiori trasporto del polline) • licheni (l'alga fotosintetizza, il fungo protegge dalla disidratazione) • uomo e flora intestinale (l'uomo fornisce un ambiente stabile e ricco di cibo, la flora intestinale favorisce la digestione e sintetizza le vitamine B e K) 42

43. Interazioni tra specie • bufaghe e rinoceronti (le bufaghe mangiano insetti ectoparassiti e allarmano, i rinoceronti proteggono) • pesci pagliaccio e anemoni marine (i pesci ricevono protezione e cibo, le anemoni protezione, pulizia e attrazione di prede) 43

44. Interazioni tra specie • Il commensalismo è un'interazione vantaggiosa per una specie e indifferente per l'altra. Es.: • orchidee e alberi (le orchidee ricevono una base solida e una posizione elevata da cui raccogliere luce e acqua) • piante epifite (che vivono su altre piante) 44

45. Successione ecologica • La successione ecologica è il cambiamento graduale e costante nella composizione delle specie in un'area • L'importanza delle specie varia nella successione • La successione primaria riguarda lo stabilirsi di comunità biotiche in aree prive di vita • La successione secondaria riguarda il ristabilirsi di comunità biotiche in aree che hanno subito perturbazioni 45

46. Successione ecologica • Successione primaria (migliaia di anni): • suolo (miscuglio di roccia, materia organica, aria, acqua e microrganismi) • specie pioniere (microbi, muschi, licheni) • erbe, piante grasse, arbusti • alberi 46

47. Successione ecologica • Successione secondaria (resta il suolo): • specie pioniere (poche settimane) • es.: aree disboscate,coltivate e abbandonate 47

48. Successione ecologica • I cambiamenti nella struttura della vegetazione (cibo e rifugio) implicano trasformazioni nella comunità animale • Es.: area temperata del Nordamerica 48

49. Successione ecologica • Stadi di una successione 49

50. Successione ecologica • L'agricoltura intensiva sostituisce una comunità ricca di specie con una povera (monocoltura) regredendo a uno stadio primitivo della successione ecologica • La competizione con altre piante è ridotta con gli erbicidi • La presenza di insetti o altri animali è controllata con i pesticidi 50