Il completo approccio ecologico - formazioneesicurezza.it 04... · I modelli in ecologia Modelli...

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Cos’è l’ecologia Ecologia = Scienza dell’ambiente Da Oicos (Οιχοσ Οιχοσ Οιχοσ Οιχοσ) = casa, ambiente L’ecologia integra varie discipline Chimica Fisica Biologia Scienze della terra Due diversi modi di concepire l’ecologia Fattori ambientali (temperatura, idrochimica, geochimica, ecc.) L’approccio biologico Il completo approccio ecologico

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Cos’è l’ecologia

Ecologia = Scienza dell’ambiente Da Oicos (ΟιχοσΟιχοσΟιχοσΟιχοσ) = casa, ambiente

L’ecologia integra varie discipline�Chimica�Fisica�Biologia �Scienze della terra

Due diversi modi di concepire l’ecologia

Fattori ambientali(temperatura, idrochimica, geochimica, ecc.)

L’approccio biologico

Il completo approccio ecologico

L’ecosistema da diversi punti di vista

V = 0.4 m/sec S = 5 m 2

Q = 2 m /sec3

Biologo

Ingegnere

Giurista

Economista Naturalista

Scienze Ambientali

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Livelli di organizzazione

Livelli di organizzazione

ENERGIAObiettivo: massimizzazione dello sfruttamento di energia

DNAObiettivo: sviluppo del programma genetico

Biosfera

Comunità

Popolazione

Ecosistema

Cellula

Gene

Organo

Entit

à bi

olog

iche

Entit

à co

stitu

ite

da c

ompo

nent

i bi

olog

iche

e

abio

tiche

Organismo

Sistemi complessiUn sistema è una struttura costituita da diverse parti interagenti

Un sistema si può definire complesso se:è costituito da un elevato numero di componenti

soglia numerica

la dominanza sulla gestione dei processi è sufficientemente ripartita tra le diverse componenti

soglia strutturale

le diverse componenti interagiscono tra di loro e sono legate da processi omeostatici o di feed-back

soglia funzionale

Proprietà dei sistemi

Proprietà collettive o insiemistiche: sono deducibili dalla somma o composizione delle proprietà delle singole componenti del sistema.Sono prevedibili conoscendo le singole parti.Tendono a ridurre la loro variabilità con l’aumentare delle dimensioni del sistema

Proprietà emergenti: sono proprietà di un livello di organizzazione che non appartengono ai livelli inferiori.Non sono prevedibili in funzione delle proprietà delle singole parti.

Un sistema può essere scomposto in più componenti, spesso a lorovolta considerabili come sistemi o sottosistemi

A livello del sistema vi sono proprietà nuove non deducibili daisottosistemi, derivanti dall’interazione delle parti

Proprietà emergenti

Risaia Marcita Pioppeto VillaggioMacchia boscata

Campo di mais

Fosso Stagno Filare

Paesaggio agricolo della Bassa pianura

Ad ogni livello di organizzazione della vita emergono proprietà che non sono definibili con la semplice somma

delle proprietà dei livelli inferiori

Olismo e riduzionismo

• Approccio riduzionista:un sistema viene suddiviso in più sottosistemi, fino a scomporlo ai minimi termini; le proprietà osservabili ai livelli inferiori vengono estese ai livelli superiori

•Approccio olista:un sistema viene studiato definendone le proprietà collettive; solo in seguito (forse) ne verranno studiati i singoli componenti.

I modelli in ecologia

Scopo•Descrivere e rappresentare schematicamente la struttura e il

funzionamento degli ecosistemi•Prevederne l’andamento in funzione della modificazione di alcuni

parametri

Modelli complessi (approccio olista)Tengono conto della complessità del sistema e cercano di descriverlo nella maggior parte possibile delle componenti

Vantaggi¨ Elevato “realismo ecologico”Svantaggi¨ Grande complessità operativa e interpretativa¨ Necessità di enorme quantità di dati di input¨ Necessità di descrivere fenomeni spesso poco conosciuti

I modelli in ecologia

Modelli semplici (approccio riduzionista)Isolano fenomeni particolari e cercano di descriverli selezionando un numero ridotto di “driving forces” principali

Vantaggi¨ Semplicità operativa e interpretativa¨ Ridotti dati di input¨ Maggiore possibilità di utilizzo a fini gestionaliSvantaggi¨ Ridotto “realismo ecologico”

Teoricamente, in un ecosistema esistono troppe componenti per poterle descrivere con un modello riduzionista. Tuttavia per rappresentare e comprendere alcuni fenomeni è necessario studiarli isolandoli dal contesto generale, sebbene questo rappresenti spesso una grossolana approssimazione.

Modelli chimico-fisici e modelli ecologici

Le componenti di un ecosistema sono, di norma, costituite da troppi pochi rappresentanti per

mediarne il comportamento con tecniche statistiche applicabili ai grandi numeri, come avviene nei modelli

chimici e fisici (es: movimenti molecolari in un gas, moti browniani, ecc.).

Inoltre, se si tratta di entità biologiche, il loro comportamento spesso non rispetta le leggi del caso ma segue complessi meccanismi di aggregazione o

separazione.

Esistono “leggi” in ecologia?Nella scienza, una “legge” è una formulazione generale che esprime i risultati dell’evidenza sperimentale.

I fondamenti della fisica e della chimica possono essere spiegati da leggi esprimibili in modo univoco con formulazioni matematiche che, salvo eccezioni, possono essere considerate di validità generale (Legge di Newton, Legge di Henry, Legge di Boyle, ecc.).

Questo principio è difficilmente applicabile in modo rigoroso all’ecologia.

“Ecology indeed has few laws, although there are numerous patterns and rules of thumb.”(Lawton, 1999)

Caratteristiche dei sistemi

Aperto: può scambiare materia e energia con l’esterno e con sistemi circostanti

Chiuso: scambia energia ma non materia con l’esterno

Isolato: non scambia energia ne materia con l’esterno

Cibernetico: mantiene l’omeostasi con meccanismi di feed-back

Diagramma funzionale di un ecosistema

Connessioni dell’ecosistema con l’esterno

Materiali eorganismi

Altrefonti di energia Materiali e

energiatrasformati

Energia perdutacome calore

Ambiente dientrata

Ambiente diuscita

Sistemaconsiderato

L’ecosistema è l’insieme del sistema considerato più le connessioni con l’ambiente di entrata e l’ambiente di uscita

Ecosistema = S + AE + AU

Struttura degli ecosistemi

Omeostasi

OMEOSTASI

FEED-BACKPositivo

Negativo

Stato stazionario(steady-state

OMEORESI

Stato stazionario(steady-state

Stato stazionario(steady-stateCambiamento delle

condizioni ambientali

Stabilità negli ecosistemi

1

2

1a

1c

1b

Feed-backRidondanza

Pres

tazi

one

Tempo

Perturbazione

Risposta alla perturbazionein assenza di controllo

Risposta effettiva

La componente 2 esercita un controllo sulla componente 1 mantenendo la condizione di stato stazionario(Es.: preda-predatore)

Le tre componenti 1a, 1b, 1c, svolgono lo stesso ruolo nel sistema. Il danno ad una di esse non compromette il funzionamento complessivo(Es.: diverse specie di produttori)

Resistenza e Resilienza

Regolare ampiezza delle oscillazioni

Perturbazione

Tempo

Funz

ione

eco

logi

ca

Mis

ura

della

resi

sten

za

Misura della resilienza

Energia Capacità di produrre lavoro

o più propriamenteCapacità di determinare specifici cambiamenti

La vita è caratterizzata dal continuo cambiamento, quindi tutte le forme di vita necessitano di continuo apporto di energia.

Unità di misura dell’energia1 caloria = energia richiesta per riscaldare di 1 °C (da 14,5 a 15,5 °C) 1

grammo di acqua alla pressione di 1 atmosfera(da non confondere con la Caloria o kilocaloria = 1000 calorie)

Possono essere usate altre unità, analoghe alle calorie a meno di costanti.Come unità ufficiale oggi si preferisce usare il Joule

1caloria= 4,18 joule

Primo principio della termodinamica

L’energia non può essere creata o distrutta, può solo essere trasformata da una forma

all’altra

Allora perché in un ecosistema è sempre necessario un continuo rifornimento di energia?

Secondo principio della termodinamica

Qualunque trasformazione spontanea procede nel senso di un aumento

dell’entropia

Le trasformazioni spontanee sono termodinamicamente irreversibili e portano verso configurazioni più “probabili” e condizioni di

equilibrioLa vita si basa su strutture altamente “improbabili” a bassa entropia e

condizioni di

stato stazionario

Il flusso di energia secondo i principi della termodinamica

Energia luminosa

Energia chimica

Energia chimica

Energia termica

Energia termica

Organismi autotrofi

Organismi eterotrofi

Equilibrio e stato stazionario

Equilibrio e stato stazionario

Paragoni idraulici dello stato stazionario. Se il flusso f è di portata costante, il livello dell’acqua nei due serbatoi rimane costante ma non in una situazione di equilibrio. Si tratta di uno stato stazionario in condizioni dinamiche.

Equilibrio ecologico

� Ogni equilibrio ecologico è necessariamente dinamico, essendo la risultante statistica di un’enorme numero di componenti che cambiano qualitativamente e quantitativamente nel tempo

� Questa è una situazione del tutto diversa da quella dell’equilibrio chimico in cui, a P e T determinata, il prodotto delle concentrazioni dei prodotti diviso quello delle concentrazioni dei reagenti dà un valore costante

Probabilità e entropia

Considerando due palloni comunicanti contenenti molecole di gas, la distribuzione B è estremamente improbabile (bassa entropia), mentre la C è la più probabile (alta entropia). I sistemi viventi tendono a realizzare strutture improbabili come la distribuzione B, mentre il caso C è tipico dei sistemi fisici e chimici non viventi.

Fotosintesi e RespirazioneEnergia

⇓⇓⇓⇓

6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

Formazione di struttura “ordinata “ e “improbabile”Produzione di energia più concentrata e più utilizzabile

Diminuzione dell’entropia

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O⇓⇓⇓⇓

Energia

Formazione di struttura “disordinata “ e “probabile”Produzione di energia più dispersa e meno utilizzabile

Aumento dell’entropia

I principi della termodinamica in una foglia di quercia

Fonti di energia e carbonio negli organismi

Classificazione secondo le fonti di Carbonio

Classificazione secondo le fonti di energia

Fototrofici(luce solare)

Chemiotrofici(energia da composti

chimici)Autotrofi(CO2)

Tutte le piante Tutte le algheCianobatteri

Batteri Chemioautotrofi(Solfobatteri, Ferrobatteri, Batteri denitrificanti, ecc.)

Eterotrofi(sostanze organiche)

Batteri purpurei e altri batteri

fotoeterotrofi

Tutti gli animaliProtozoiFunghiLa maggior parte dei batteri

Ruolo di fototrofi e autotrofi negli ecosistemi

FOTOTROFI CHEMIOTROFI

OssigenoCompostiorganici

CO2

AcquaSostanze

inorganiche

Energiasolare

Perdite dicalore

Entropia

Energiachimica

Entropia

Perdite dicalore

A cosa serve l’energia negli organismi viventi

�Metabolismo basale e mantenimento�Accrescimento�Rinnovamento dei tessuti�Evapotraspirazione (vegetali)�Traspirazione (animali omeotermi)�Locomozione e movimento�Riproduzione

La radiazione solare

La diversa incidenza dei raggi solari in funzione della latitudine e dei cicli stagionali determina una diversa disponibilità di energia alla superficie della terra

La radiazione solare

Radiazione solare incidente mensile a sette diverse latitudini

Distribuzione della radiazione sul pianeta

La penetrazione della luce nell’acqua

0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 100-100

-80

-60

-40

-20

0

% di luce incidente

Prof

ondi

tà m

Acqua pura

Mar dei Caraibi

Crater Lake

Golfo del Maine

Mar Baltico

Baia di Woods Hole

Midge Lake

Bilancio energetico della radiazione solare

43

100

29

23

76

2424

4SPAZIO

TERRA

ATMOSFERA

Dal Sole

Assorbita

RiflessaRiflessa

Assorbita

Diffusa

Diretta

Nuvole e gasatmosferici

I valori sono in percentuale.La radiazione totale incidente alla superficie dell’atmosfera è stimata in circa 2,6*106 kcal m-2 anno-1

Produttività

La produttività primaria di un ecosistema o di una sua parte è la velocità di trasformazione

fotosintetica dell’energia luminosa in energia di legame nelle molecole organiche

in altre parole è

La quantità di sostanza organica prodotta nell’unità di tempo dagli organismi fotosintetici

Produttività

Produttività lorda è la quantità totale di S.O. prodotta

Produttività netta è la quantità di S.O. prodotta meno quella consumata per respirazione

Produttività netta della comunità è la quantità di S.O. prodotta in un ecosistema meno quella consumata per respirazione, includendo ilconsumo degli organismi eterotrofi

La produttività secondaria è la velocità di trasferimento dell’energia a livello dei consumatori, cioè la quantità di S.O. di organismi eterotrofi prodotta in un ecosistema nell’unità di tempo

La biomassa stabile è la quantità di materia vivente presente in un ecosistema in un determinato momento

Produzione ed efficienzaProduzione primaria lorda

Produzione primaria netta

Assunzione

Produzione secondaria lorda(Assimilazione)

Produzione secondaria netta

Respirazioneed

escrezione

Respirazioneed

escrezione

EFFICIENZA DI PRODUZIONE NETTA

EFFICIENZA DI SFRUTTAMENTO

EFFICIENZA DI ASSIMILAZIONE

(Rapporto tra PN/PL)

(Rapporto tra PPN e ciòche viene assunto al livello trofico successivo)

(Rapporto tra ciò che viene assunto e ciò che viene assimilato)

Rifiutinon

assimilati

EFFICIENZA ECOLOGICA

(Rapporto tra la PL di un livello trofico e la PL del livellotrofico successivo)

Distribuzione della produttività primaria

Schema indicativo della distribuzione della produzione primaria lorda annua nei principali ecosistemi della biosfera

Livelli di produttività dei principali ecosistemi

Produttività dei principali biomi

Prod. Prim. netta (dw) Biomassa Primaria (dw)Sup biosfera biosfera

ZONE CONTINENTALI 106 km2 g/m2 anno 109 t/anno kg/m2 109 tForesta tropicale pluviale 17 2200 37.4 45 765Foresta temperata decidua 7 1200 8.4 30 210Savana 15 900 13.5 4 60Deserti estremi 24 3 0.07 0.02 0.5Agricoltura (poca en. suss.) 10 400 4 0.8 8Agricoltura (industriale) 4 1300 5.2 1.4 6Laghi e fiumi 2 250 0.5 0.02 0.05Paludi 2 2000 4 15 30ZONE OCEANICHEMare aperto 332 125 41.5 0.003 1Piattaforma continentale 26.6 360 9.6 0.01 0.27Zone di upwelling 0.4 500 0.2 0.02 0.008Kelp 0.6 2500 1.6 2 1.2TOTALE BIOSFERA 510 333 170 3.6 1841

Cosa controlla la produttività primaria

�Energia�Fattori climatici e condizioni ambientali�Disponibilità di sostanze

nutrienti�Consumo

Temperature elevate aumentano la produttività lorda ma incrementano anche metabolismo e respirazione

Il rapporto tra produttività netta e produttività lorda della vegetazione naturale varia con la latitudine. All’equatore, la produttività netta è meno del 50% della produttività lorda.

I principali fattori che limitano la produttività primaria

In ambiente terrestre

�Acqua

�Nutrienti nel suolo (escluso C)

�CO2

�Luce

In ambiente acquatico

�Luce

�Nutrienti (escluso C)

�CO2

Andamento della PP in ambiente acquatico in funzione della profondità

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Produttività primaria

Prof

ondi

tà m

Acque costiere

Mare aperto

L’abbondanza di nutrienti nelle acque costiere determina produttività elevata in superficie, ma la maggior trasparenza in mare aperto rende possibile la fotosintesi, e quindi la produttività primaria, a profondità molto maggiori.

Catena alimentare o catena trofica

Sistema di trasferimento di energia dagli organismi autotrofi(produttori) agli organismi eterotrofi (consumatori e decompositori)

Catena del pascolo:nutrienti inorganici ⇒⇒⇒⇒piante⇒⇒⇒⇒erbivori⇒⇒⇒⇒carnivori

Catena del detrito:sostanza organica⇒⇒⇒⇒microorganismi⇒⇒⇒⇒detritivori⇒⇒⇒⇒predatori

Livello trofico

Caratterizza il numero di passaggi effettuati dall’energia (sotto forma di luce o cibo) a partire dall’energia solare

¨ I livello organismi fotosintetici produttori¨ II livello erbivori consumatori primari¨ III livello carnivori consumatori secondari¨ IV livello carnivori secondari consumatori terziari

……………………………………………..livello del batteri decompositoridetrito organismi detritivori

Schema di flusso di energia attraverso tre livelli trofici: Produttori primari (P.p.), Consumatori primari (C.p.), Consumatori secondari (C.s.)

Cal

ore

Res

pira

zion

e

Res

pira

zion

e

Res

pira

zion

e

P.p.

C.p. C.s.

Energia solare

Energia non utilizzatadai C.s.

Energia non utilizzatadai C.p.

Esempio di catena trofica

Produttività secondaria

Di norma la maggior parte dell’energia derivante dalla produzione primaria non viene consumata dai consumatori erbivori ma passa ai decompositori

Importanza della catena del detrito

In molti importanti ecosistemi la produttività primaria è scarsao nulla (Es.: zona afotica dei laghi e dei mari). In questi casi l’intera comunità biologica è sostenuta dalla catena del detrito.

La lunghezza delle catene trofiche

Le catene trofiche sono generalmente breviSuperano raramente 5-6 livelli

Motivi

�Ad ogni passaggio si ha una grande perdita energetica (indicativamente 90%). Al 6° livello l’energia residua è lo 0.001% di quella iniziale

�Lunghe catene possono comportare ampie fluttuazioni delle popolazioni. Aumenta il rischio di estinzione dei livelli superiori

�Agli alti livelli trofici aumenta l’esigenza di spazio vitale (home range). I predatori necessitano di ampi territori

Reti trofiche

Schema molto semplificato di rete trofica dell’Antartico.

Non sono stati inclusi i decompositori

Reti trofiche

La rete trofica nel ciclo vitale dell’aringa

Piramidi ecologiche

PIRAMIDE DEI NUMERI PIRAMIDE DELLE PIRAMIDE DELL'ENERGIABIOMASSE

P - 1.500.000 P - 500 P - 20.810

C1 - 200.000 C1 - 1 C1 - 3.368

C2 - 90.000 C2 - 0.01 C2 - 383

C3 - 1 C3 - 21

N° individui per unità di superficieGrammi di peso seccoper unità di superficie Kcal per unità di superficie per anno

S - 5.060

Sono una rappresentazione grafica della struttura della comunitàbiologica in un determinato ecosistema.Possono essere costruite su diversi parametri caratteristici della comunità: numero di individui, biomassa, produttività.L’area di ciascun rettangolo è proporzionale alle dimensioni dellivello trofico corrispondente.

Piramidi ecologiche

Ambiente pelagico marino

ForestaNumeri

Numeri Biomassa Produttività

Biomassa Produttività

PP

C1PP

C1

C2

C2

Esempi di piramidi ecologiche caratteristiche di due diversi ecosistemi

Trasferimento nella catena trofica e biomagnificazioneL’esempio del DDT

Da un livello trofico all’altro la biomassa si riduce. Se una sostanza viene trasferita interamente o con perdite trascurabili (per metabolismo, escrezione o altro), la sua quantità rimarrà quasi costante in una biomassa progressivamente ridotta, raggiungendo concentrazioni elevatissime nei predatori terminali.

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Acqua

Fitoplancton

Zooplancton

Pesci

Uccelliittiofagi

Bio

conc

entr

azio

ne

Bio

mag

nific

azio

ne

Concentrazione di DDTppm

0.000003

0.04

0.2

2.0

20

La concentrazione di DDTaumenta di

7 milioni di volte

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Energia sussidiaria

Risorsa energetica che abbassa il costo di auto-mantenimento del sistema•Riduzione dell’energia necessaria per il mantenimento•Riduzione della respirazione e dei consumi•Aumento della produzione netta

Un sistema maturo è bilanciato. La produzione netta del sistema tende a 0.

L’apporto di energia sussidiaria sposta lo stato stazionario del sistema verso livelli di produzione netta più alti.

Esempi•Flussi artificiali di energia in agricoltura (irrigazione, concimazione, lavorazione del terreno, pesticidi, ecc)• Apporti esterni di energia in sistemi naturali: maree in ambienti estuariali e costieri

Schema di energia sussidiaria

Ottenibile con energia sussidiaria