Il completo approccio ecologico - formazioneesicurezza.it 04... · I modelli in ecologia Modelli...
-
Upload
phungtuyen -
Category
Documents
-
view
214 -
download
0
Transcript of Il completo approccio ecologico - formazioneesicurezza.it 04... · I modelli in ecologia Modelli...
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
����������������������������
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.
..
..
.
...
.....
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
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
.
.
.......
.......
.......
.......
.......
..
..
.......
.......
.......
.......
.......
....
.......
.......
.......
.......
.......
....
.......
..............................
..
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