Ecologia ed educazione ambientale

Lezione 4Ecosistemi e loro funzionamento: collegamenti in natura

Luca Fiorani

Luca Fiorani – Ecologiaed educazione ambientale

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.

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L'ecologia e la vita

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Organismo Specie (stimate

5-100 milioni, note 1.8 milioni)

Popolazione(diversità genetica)

Comunità (habitat) Ecosistema Biosfera o ecosfera

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L'ecologia e la vita Farfalle monarca ed euforbia Diversità genetica nella chiocciola dei

Caraibi

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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)

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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

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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)

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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)

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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)

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Concetti e componenti dell'ecosistema Bioma: vasta regione caratterizzata da

condizioni climatiche e forme di vita, specialmente vegetali (foresta, prateria, deserto…)

Zone di vitaacquatica

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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

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Concetti e componenti dell'ecosistema Ecosistema d'acqua dolce

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Concetti e componenti dell'ecosistema Ecosistema in un campo

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Concetti e componenti dell'ecosistema Ambito di tolleranza ai componenti

abiotici

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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

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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

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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 O2

o 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)

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Concetti e componenti dell'ecosistema

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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 ricircolazione di materia e dal flusso di energia

Importanza dei decompositori19

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Concetti e componenti dell'ecosistema

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Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema

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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

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Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema

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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

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Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema

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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

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Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema

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Ecosistema acquaticoSilver Spring

Unità: kcal m-2 y-1

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Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema

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Piramide di biomassa Piramide dei numeri

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Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema

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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-2 y-1

La PPN della Terra ne determina la capacità portante per tutte le specie

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Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema

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Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema

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Collegamenti: reti alimentari e flusso di energia nell'ecosistema

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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

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Il ciclo della materia nell'ecosistema

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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

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Il ciclo della materia nell'ecosistema

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Ciclo dell'acqua

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Il ciclo della materia nell'ecosistema

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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)

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Il ciclo della materia nell'ecosistema

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Ciclo del carbonio Mediante CO2 regola il clima Impatti: combustibili fossili e

deforestazione

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Il ciclo della materia nell'ecosistema

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Ciclo dell'azoto

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Il ciclo della materia nell'ecosistema

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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)

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Il ciclo della materia nell'ecosistema

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Ciclo del fosforo

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Il ciclo della materia nell'ecosistema

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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)

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Il ciclo della materia nell'ecosistema

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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

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Come fanno gli ecologi a conoscere gli ecosistemi?

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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

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I servizi dell'ecosistema e la sostenibilità

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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

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Fine della lezione…