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Gli ecosistemi

geografia

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Gli ecosistemi

La definizione di ecosistema data da Odum è: unità che include tutti gli organismi che vivono insieme (comunità biotica) in una data area, interagenti con l'ambiante fisico[1] e chimico[2] (non vivente) in modo che un flusso di energia porti ad una definita struttura biotica e ad una ciclizzazione dei materiali tra viventi e non viventi all'interno del sistema.

L'insieme degli ecosistemi forma la biosfera[3], cioè quella parte del globo abitata da esseri viventi, è il massimo sistema biologico quasi completamente autosufficiente, include tutti gli organismi viventi interagenti con l'ambiente fisico in modo da mantenere un sistema in equilibrio stazionario[4]. Essa comprende la superficie terrestre, le acque, l'atmosfera sino a qualche migliaio di metri di altezza, il terreno sino a qualche decina di metri di profondità.



Per studiare un ecosistema[5] bisogna considerare tre componenti fondamentali: le comunità, il flusso di energia (solare e unidirezionale) e la ciclizzazione dei materiali (vedi capitolo 5).

1.1        Le comumità

Le popolazioni[6] di ogni specie che abitano un posto particolare formano una comunità. Un ecosistema è una comunità di varie specie che interagiscono fra loro a con i fattori abiotici.

In un ecosistema vi sono componenti viventi (biotici) e non viventi (abiotici).

I componenti abiotici comprendono i fattoti fisici e chimici: temperatura, precipitazioni, ombra, luce, vento, altitudine, latitudine, tipo di suolo presente, correnti marine e anche sostanze nutrienti disciolte in terra, aria e acqua, quindi salinità, ossigeno disciolto, ecc.

I componenti biotici sono classificati in generale come:

ü      Produttori. Sono tutti gli organismi autotrofi i quali producono sostanza organica partendo da quelle inorganiche. Queste sostanze organiche vengono usate come nutrimento dalle altre due categorie. I principali sono le piante sulla terraferma e le alghe in mare.

ü      Consumatori. Sono organismi eterotrofi i quali si nutrono delle sostanze organiche prodotte dagli autotrofi. Si distinguono quelli di 1° ordine (erbivori), di 2° ordine (carnivori che si nutrono di erbivori), di 3° (carnivori che si nutrono di carnivori che a loro volta si nutrono di erbivori), ecc. Ne fanno parte tutti gli animali.

ü      Decompositori[7]. Si nutrono degli avanzi morti degli organismi appartenenti alle altre due categorie. Essi demoliscono le sostanze organiche contenute in questi avanzi e le ritrasformano in sostanze inorganiche. Fanno quindi l'esatto opposto dei produttori. I principali decompositori sono batteri e funghi.

1.2        Flusso di energia unidirezionale

I principali componenti strutturali della biosfera (energia, sostanze chimiche e organismi) sono uniti da due processi di base: i flussi di energia e il riciclaggio della materia. L'energia si degrada (non è ciclica!) scorrendo per i sistemi, fino a non poter essere più utilizzata, mentre le sostanze nutritive trovano sempre organismi che le possono riutilizzare, magari modificandole, grazie all'energia disponibile. Il motivo della degradazione dell'energia è la dissipazione irreversibile di calore ad ogni passaggio:

L'energia è capacità di produrre lavoro, può essere trasformata da un tipo all'altro, ma non può essere né creata né distrutta (prima legge termodinamica). Inoltre, nessun processo che implica trasformazioni energetiche può avvenire spontaneamente senza una degradazione di energia da una forma concentrata in una dispersa (seconda legge della termodinamica) [8]. A causa di questo l'entropia, che è l'indice generale del disordine associato all'energia degradata, è in costante aumento.

Gli ecosistemi creano e mantengono un elevato stato di ordine interno (bassa entropia) emettendo calore (disordine) con la respirazione. Mentre nelle catene alimentari la luce assorbita diventa cibo.

1.2.1        Catene alimentari e livelli trofici

Un serie di consumatori e decompositori formano una catena alimentare, e in essa ogni organismo occupa un certo livello, detto trofico, in base a ciò che mangia e da chi viene mangiato.

Appartengono allo stesso livello trofico tutti gli organismi che ottengono cibo dal sole con lo stesso numero di passaggi. Le catene alimentari non sono parallele, ma si intrecciano in reti alimentari, perché molti consumatori (compreso l'uomo) si nutrono di due o più tipi di organismi a diversi livelli trofici. Il numero dei consumatori dipende dalla lunghezza della catena. Maggiore è la distanza dal sole nella catena alimentare, minore è il numero delle specie dell'ultimo livello trofico.

Ad ogni livello, una certa quantità di energia viene dissipata come calore attraverso il metabolismo e la respirazione aerobica, quindi ad ogni passaggio aumenta la qualità dell'energia (perché diventa sempre più concentrata) e diminuisce la quantità prodotta (perché si degrada l'energia) [9].

Una Kcal di un predatore vale 100 Kcal di un erbivoro oppure 10000 Kcal di energia solare. La qualità del carbone o del petrolio è circa 2000 volte maggiore di quella dell'energia solare.

La perdita di energia in ogni livello trofico è quantificabile in un fattore 10. Solitamente per rappresentare questa degradazione si usa un diagramma a piramide. Inoltre ogni livello contiene una certa biomassa, misurata come peso secco di sostanza organica, prelevando un campione dall'ecosistema e pesando le frazioni relative a ogni livello ottengo una piramide anche per la biomassa.

1.2.2        Caratteristica universale degli ecosistemi

L'ecosistema viene diviso in due parti: fascia verde, strato superiore in cui vivono gli autotrofi predominano fissazione e produzione di sostanze organiche, e fascia bruna, strato inferiore di suolo e sedimenti in cui predominano utilizzazione, trasformazione e decomposizione. Si formano così due catene alimentari: quella di pascolo (autotrofa) e quella di detrito (eterotrofa: batteri, funghi, ecc.). Al primo livello trofico, cioè quello delle piante, dell'energia prodotta il 90% in una foresta e il 50% nella prateria finisce nella catena del detrito. Poi via via in ogni passaggio una percentuale va sempre ceduta dalla catena del pascolo a quella del detrito.

Componente principali:

1.      Sostanze inorganiche (C, N, CO2, H2O,.).

2.      Sostanze organiche (protidi, lipidi, glucidi,.).

3.      Regime climatico (aria, acqua e substrato).

4.      Produttori = autotrofi (piante).

5.      Macroconsumatori = fagotrofi (animali).

6.      Microconsumatori = saprotrofi (assorbono tessuti morti) e decompositori (assorbono materia organica disciolta).

1.2.3        Produttività primaria e secondaria

La produttività primaria è la velocità alla quale l'energia raggiante viene trasformata dall'attività fotosintetica e chemiosintetica degli organismi produttori in sostanza organica. Si distinguono PP Lorda (quantità totale di sostanza secca prodotta dalla fotosintesi nell'unità di tempo) e PP Netta (quantità di sostanza secca prodotta dalla fotosintesi meno quella consumata dalla respirazione nell'unità di tempo). La PP Netta della comunità è data dalla PP Netta meno il consumo degli eterotrofi nell'unità di tempo.

Ecosistemi

PP (Kcal/m2·anno)

Marini

Oceano aperto

Zone costiere

Estuari e barriere coralline

1000

2000

20000

Terrestri

Deserti e tundre

Praterie e pascoli

Foreste nordiche di conifere

Foreste temperate

Foreste equatoriali

200

2500

3000

8000

20000

Artificiali

Agricoltura tradizionale

Agricoltura moderna

3000

15000

Totale

Oceano

Terre emerse



55 miliardi di tonn./anno

100 miliardi di tonn./anno

La PP del mare è mediamente molto bassa perché per i primi tre metri di profondità vicino alla costa hanno una grande produttività, ma a largo, dove l'acqua è molto profonda, è scarsa, così facendo una media. Anche nei deserti, dove l'acqua manca del tutto, la PP è molto scarsa. Negli ecosistemi in rapido accrescimento (bosco tagliato da poco) la PP netta è molto elevata. Per questo motivo si potano le piante oppure i boschi per produrre la legna, con questo metodo gli alberi producono più sostanza secca rispetto a quella usata per crescere. In una foresta adulta la PP netta è minore perché la respirazione viene usata per il mantenimento. Come si vede dalla tabella sopra, dai minimi (deserti) ai massimi (barriere coralline) c'è una differenza di 100 volte.

La produttività secondaria è la velocità di immagazzinamento di energia a livello dei consumatori nell'unità di tempo.

1.2.4        Modello generale di flusso energetico: efficienze ecologiche

R è grande negli adulti (P bassa) e nei sistemi stressati (dove vi sono limiti di tolleranza).

A/I = efficienza di assimilazione: basso per la fotosintesi e per gli erbivori, che hanno bisogno di molto cibo per assimilare la sostanza organica.

P/A = efficienza di produzione : grande per gli erbivori, più basso per i carnivori.

Si ha una resa di circa il 20%, che è molto bassa, però gli ecosistemi si automantengono e autoriparano.

1.2.5        Classificazione energetica degli ecosistemi

Le foreste e gli oceani sono scarsamente produttivi, ma servono per produrre cibo e fibre gratis, il flusso di energia per m2 varia da 1000 a 10000 Kcal l'anno.

Laghi, estuari e foreste tropicali hanno un flusso di energia per m2 che varia da 10000 a 40000 Kcal l'anno. L'energia sussidiaria è fornita dai venti, maree, correnti e da altri eventi naturali.

L'ecosistema urbano è completamente eterotrofo, non si produce niente, ma tutto dipende dal territorio circostante, con grande consumo per unità di area. Il flusso di energia per m2 varia da 100000 a 3000000 Kcal l'anno. Negli USA il flusso è 87 volte maggiore di quello del Pakistan. Il problema delle città è di avere una cintura verde, quindi le città dovrebbero essere isole nelle foreste, ma così non è quindi si è cercato di ovviare a questo problema costruendo enormi giardini (Londra, Parigi).

1.3        Agroecosistemi

Sono ecosistemi agricoli non naturali perché possiedono un tipo di energia in più, detta sussidiaria. Ogni risorsa di energia che riduce il costo di automantenimento di un ecosistema, riducendo i costi di respirazione, con aumento della PP Netta. Questa energia è data dal lavoro umano e animale, dai mezzi meccanici e dall'irrigazione, dai fertilizzanti, pesticidi e diserbanti, ecc. Per produrre tutto ciò si consumano i combustibili fossili.

Questi tipi di ecosistemi hanno una scarsa biodiversità rispetto ad un prato naturale. Vi è selezione genetica, non naturale. I danni che si fanno sono: erosione del suolo, inquinamento (fertilizzanti, erbicidi, pesticidi, e anche la monocoltura fa diventare l'ambiente vulnerabile).

Della superficie terrestre (non coperta dai ghiacci) il 30% è adibita all'agricoltura. L'agricoltura preindustriale non aveva surplus di cibo (non poteva rifornire grandi città, ma anche oggi è il 60% del totale), oppure si coltivava a rotazione (si disboscava e poi si lasciava ricrescere, aumentando così la PP). Invece oggi il rapporto cibo per unità di area è molto elevato, sia perché il cibo costa poco, sia perché il petrolio usato per l'energia sussidiaria costa poco. I paesi in grado di procurarsi questo sussidio energetico sono quelli più ricchi. Nei paesi industrializzati il prodotto pro-capite lordo è maggiore di 1000$, mentre nei paesi sottosviluppati c'è una bassa produttività per ettaro e un grande incremento demografico. Nasce quindi la necessità di coltivare altre terre disboscando. Nei paesi poveri c'è consumo di legname superiore a quello prodotto, così si rischia la desertificazione perché viene estirpato anche l'humus.

In 70 anni (1900-1970) il consumo di cibo è passato da 1 a 10 Cal/ Kg cibo prodotto. Le calorie annue consumate sono 6,7·1015, rispetto alle 4,3·1015 realmente necessarie, senza avere surplus di cibo a causa degli altissimi sprechi. Attualmente per raddoppiare il raccolto bisogna duplicare l'energia necessaria per produrre il cibo (1 cibo ® 2 en. sussidiaria). Inoltre non possiamo aumentare l'energia sussidiaria all'infinito, perché altrimenti interviene lo stress da input, ad esempio se concimiamo troppo, il raccolto inizialmente aumenta, dopodiché c'è un calo dell'efficienza.

1.4        Fattori limitanti per la fotosintesi

Sono molti i parametri che influenzano la fotosintesi: Tipo morfologico: dimensione, anatomia e forma della foglia e superficie fogliare totale di una pianta; Tipo fisiologico: resistenza alla perdita di acqua; aumento di anidride carbonica, temperatura, luce.

I fattori limitanti sono qualunque fattore abiotico al di fuori dei limiti di tolleranza che impedisce l'accrescimento di una specie, anche se tutti gli altri fattori sono entro i limiti.

La domanda chiave è: come facciamo ad aumentare la PP?

Aumentiamo luce, temperatura e variamo la CO2.

Ad esempio se aumentiamo la luce si raggiunge una massimo di sfruttamento dopodiché il valore di fotosintesi fatta si stabilizza. Le piante molto esposte si dicono eliofite, le altre sciafite.

L'anidride carbonica è un fattore limitante in quanto blocca l'accrescimento della curva. La quantità di anidride carbonica non è sufficiente per utilizzare la luce in eccesso, così anche qui il grafico raggiunge un massimo e poi si stabilizza.

Il grafico dell'andamento della fotosintesi con l'aumentare della CO2 è analogo a questi, infatti raggiunge il massimo e poi si stabilizza in quanto la luce fornita è poca rispetto alla CO2 da organicare. Quindi anidride carbonica e luce limitano l'andamento della fotosintesi a vicenda.

Anche la temperatura è stata considerata costante, ma anch'essa è limitante (al freddo la fotosintesi rallenta). Per organismi acquatici valgono i fattori limitanti dell'acqua (temperatura, luce, contenuto di ossigeno disciolto, disponibilità di nutrienti e salinità), inoltre il fitoplancton non vive sotto i 50 metri, mentre alcune alghe si sono adattate anche a zone più profonde sfruttando anche le radiazioni di colore blu che sono più penetranti.

1.4.1        Piante con diverso metabolismo: C3 e C4.

La fissazione del carbonio nelle piante avviene attraverso diversi percorsi biochimici: quello più comune è detto ciclo di Calvin e caratterizza le piante C3, così dette perché il prodotto finale del ciclo è un composto a tre atomi di carbonio, sono le più diffuse. Le piante C4 invece utilizzano altri tipi di reazione che danno come prodotto finale un composto a quattro atomi di carbonio.

La differenza sta nella diversa risposta fotosintetica all'incremento della temperatura e dell'intensità luminosa in arrivo.

Le piante C3 hanno il massimo tasso fotosintetico con moderate intensità di luce e temperatura (grano, riso e patate) [10], mentre le C4 si sono adattate a temperature e intensità luminosa alte (mais, sorgo, canna da zucchero e in generale piante erbacee), perché sfruttano l'acqua in modo più efficiente (basso tasso di respirazione, possono vivere anche nel deserto).

La traspirazione delle piante si misura correlata con la PP Netta/quantità acqua traspirata. L'efficienza si traspirazione è molto bassa, circa 2 per le C3 e 4 per le C4 coltivate.

1.5        Esempi

Prato

Lago

Antartide

Bacino per pesca sportiva

Foresta equatoriale (Mangrovie)

1.5.1.1         In irlanda

Nell'Ottocento le patate in Irlanda, che erano l'unico cibo disponibile, sono state attaccate da un fungo, allora la gente ha cominciato a morire di fame. Alla fine dell'epidemia 1 milione di persone erano morte e molte emigrarono negli USA per sopravvivere.

1.5.1.2         Società ad alto spreco

Quando si brucia carbone i legami fra ossigeno e carbonio si rompono e si producono anidride carbonica e calore che dà energia più bassa.

Quando si usano le risorse energetiche si producono allo stesso tempo anche rifiuti, questi possono essere riciclati dai decompositori, ma in un caso limite in cui ci sia un massimo consumo di energia e materia, allora gli ecosistemi non potranno più riciclare la materia e produrre energia. La filosofia politica attuale che molti paesi adottano è che più consumo porti a più benessere, questo è senz'altro vero per il presente, ma per le genti future?

1.5.1.3         Concentrazione delle sostanze tossiche lungo la catena alimentare

Si è visto un aumento geometrico (piramide inversa) della concentrazione di sostanze tossiche (DDT) fino ad un milione di volte quella iniziale. Inoltre ha fatto estinguere alcuni tipi di uccelli perché non faceva indurire il guscio delle uova.

Un discorso analogo può essere fatto per i radionucleidi (Iodio, Cesio, ecc.) che vanno ad accumularsi nel nostro organismo in quantità molto elevate provocando vari disturbi.



[1] Temperatura, precipitazioni, ombra, luce, vento altitudine, latitudine, tipo di suolo presente, correnti marine, ecc.

[2] Sostanze nutrienti disciolte in terra, aria e acqua, quindi salinità, ossigeno disciolto, ecc.

[3] Rispetto al volume della Terra è meno della buccia di una mela.

[4] Equilibrio che si automantiente grazie ad un flusso di energia che bilancia sole in entrata e perdite termiche in uscita nello spazio.

[5] Tutti gli ecosistemi sono sistemi aperti.

[6] Una popolazione è un gruppo di individui della stessa specie che occupano una data are allo stesso tempo (habitat).

[7] I limite tra decompositori e consumatori non è ben definito. Un lombrico che si nutre di foglie marce dovrebbe essere considerato un consumatore perché non demoliscono le sostanze come fanno i decompositori (cioè con appropriati enzimi). Comunque contribuiscono alla disgregazione meccanica e chimica degli avanzi vegetali e quindi sono decompositori sotto questo aspetto.

[8] Solitamente tutto il lavoro può essere trasformato in calore, ma non viceversa, perché avviene una dispersione.

[9] Ci vogliono in media 4-7 Kg di mangime (cereali) per produrre 1 Kg di carne bovina.

[10] Si sono sviluppate quando la concentrazione dell'anidride carbonica era più alta di quella dell'ossigeno.



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