Cicli Biogeochimici e Dinamiche di Successione Ecosistemica

I Cicli Biogeochimici

I cicli biogeochimici rappresentano l'insieme dei processi che un elemento chimico può subire passando da un sottosistema all'altro o attraverso diverse molecole.

Ciclo Idrologico

Il ciclo idrologico è un ciclo biogeochimico che gestisce i quattro sottosistemi coinvolti in molte trasformazioni degli elementi. Ad esempio, l'idratazione degli ossidi non metallici nell'atmosfera causa la formazione di aerosol, o l'idrolisi dei minerali nella crosta terrestre produce l'erosione delle rocce. L'acqua è un efficace trasportatore che sposta gli elementi da un sistema all'altro, raccogliendo la maggior parte dei continenti e accumulandosi negli oceani.

Ciclo dell'Azoto (N)

Atmosfera

• L'azoto molecolare (N₂) costituisce il 79% del volume atmosferico e ha origine dalle attività dei batteri che vivono in condizioni anossiche.
• Si trova anche sotto forma di ossidi di azoto e ammoniaca.

Biosfera

• L'azoto è presente negli acidi nucleici e nei tessuti degli organismi viventi.
• I batteri azotofissatori trasformano l'azoto molecolare in nitrati, che possono essere assimilati dai produttori.
• I consumatori assumono l'azoto incorporato direttamente nelle piante.
• Le attività umane influenzano il ciclo dell'azoto, rendendolo un contaminante dell'atmosfera e dell'idrosfera (acque sotterranee).

Idrosfera

• L'azoto è molto solubile in acqua, principalmente sotto forma di nitrati, che possono essere assimilati dagli organismi fotosintetici.

Crosta Terrestre

• Si trova principalmente sotto forma di sali nelle rocce evaporitiche.

Ciclo del Carbonio (C)

Il carbonio è il terzo elemento più abbondante nella biosfera.

Atmosfera

• La maggior parte del carbonio è in forma di CO₂, rilasciata dalla respirazione degli esseri viventi, dalla combustione di combustibili fossili, dagli incendi e dalla fotosintesi.
• Il metano (CH₄) deriva dall'attività dei batteri aerobi.
• È presente anche nei CFC (clorofluorocarburi).

Biosfera

• Si trova nelle molecole organiche disciolte, nei gusci e negli esoscheletri.

Idrosfera

• La CO₂ è molto solubile. Si trova sotto forma di HCO₃⁻ (ione bicarbonato), CO₃²⁻ (carbonato) e sedimenti (CH₄).

Crosta Terrestre

• Presente nelle rocce carbonatiche (calcari e dolomie), nei combustibili fossili e nel materiale organico morto.

Ciclo dello Zolfo (S)

Atmosfera

• Si trova sotto forma di ossidi (solfuro di idrogeno, H₂S) e SO₂.
• La combustione di combustibili fossili e l'attività vulcanica forniscono ossigeno all'atmosfera.
• L'abuso genera piogge acide.

Biosfera

• È presente negli amminoacidi dei produttori fotosintetici.
• I batteri chemiosintetici lo utilizzano per ottenere energia.
• L'estrazione di grandi quantità di zolfo rilascia inquinanti nell'idrosfera.

Idrosfera

• Presente come idrogeno solforato (H₂S) e anioni ossiacidi (SO₃²⁻, SO₄²⁻).

Crosta Terrestre

• Si trova nei sali evaporitici ossiacidi delle rocce sedimentarie, come il gesso.
• Le eruzioni vulcaniche rilasciano grandi quantità di zolfo.

Ciclo del Fosforo (P)

Biosfera

• È presente nelle biomolecole, negli scheletri dei vertebrati e negli acidi nucleici.

Idrosfera

• Molto poco, si accumula nel fondo marino. Sotto forma di PO₄³⁻, HPO₄²⁻, H₂PO₄⁻.

Crosta Terrestre

• Nelle rocce vulcaniche e sedimentarie. L'uso dei fertilizzanti altera il ciclo.

Successioni Ecologiche

Le successioni ecologiche sono processi attraverso i quali i sistemi biogeochimici tendono ad aumentare di complessità e ad accumulare informazioni nel tempo. Questo processo evolutivo consiste in una serie di cambiamenti che si verificano nella struttura della comunità, dalla sua nascita fino alla maturità (climax).

Durante la successione, diverse specie si insediano, modificando l'ambiente in modi che facilitano o inibiscono l'installazione di nuove specie.

Cambiamenti Durante la Successione

Aumento della Biodiversità

• Con il passare del tempo, il numero di specie nella comunità è in aumento e alcune specie stanno sostituendo altre.

Aumento della Complessità dell'Ecosistema

• Aumentando il numero di specie, aumenta anche la lunghezza delle catene alimentari e i rapporti di predazione, rendendo le reti trofiche sempre più complesse.

Sviluppo del Suolo

• Il suolo si forma e si sviluppa progressivamente.

Evoluzione dei Parametri Trofici

• La biomassa si sviluppa al massimo consentito dai fattori limitanti. Questo avviene attraverso la graduale introduzione di specie con massa superiore. Anche la necromassa cresce. L'aumento degli organismi in decomposizione produce un aumento della frequenza respiratoria nell'ecosistema.
• La produzione netta diminuisce. La produzione primaria è inizialmente più elevata, ma diminuisce man mano che consumatori e decompositori aumentano, fino a raggiungere un pareggio con la respirazione.
• I valori di produttività (rapporto tra produzione e biomassa) diminuiscono progressivamente.

Successioni Primarie

Le successioni primarie partono da una zona che non è stata precedentemente colonizzata.

1. Su una superficie priva di suolo, crescono solo licheni sulle rocce e muschi nelle aree più umide. Può esserci una fauna selvatica (uccelli, insetti, piccoli mammiferi e rettili), ma la produzione primaria è trascurabile, poiché i consumatori si nutrono altrove.

2. Le piante erbacee sono le prime a crescere sulla regolite prodotta dagli agenti atmosferici e dalla sedimentazione. La loro necromassa consente l'inizio della formazione del suolo. L'ecosistema ha una crescente produzione primaria. La sua biomassa è molto bassa, per cui la produttività è alta.

3. La vegetazione arbustiva cresce quando il suolo è ben sviluppato, contribuendo alla degradazione delle rocce e all'aumento dello spessore e della maturità del suolo. La biodiversità dell'ecosistema aumenta in modo significativo e la biomassa cresce rapidamente. La sua produzione netta e la produttività sono alte.

4. La vegetazione lussureggiante di una foresta matura fa aumentare molto la biomassa, mentre la produttività diminuisce rapidamente. La respirazione del suolo ben sviluppato è intensa e bilancia quasi la produzione lorda.

Climax: Stabilizzazione e Autoregolamentazione

La successione ecologica rallenta e si ferma quando i fattori limitanti impediscono alla biomassa di crescere ulteriormente. Questa fase è chiamata climax e rappresenta lo stadio finale della successione ecologica.

Il climax in un ecosistema rappresenta una situazione stabile perché riflette un equilibrio tra la tendenza intrinseca della biocenosi ad aumentare la biomassa e la complessità, e i fattori ambientali che pongono un limite a questo aumento. In questa situazione, l'ecosistema climax presenta una notevole stabilità, in grado di ammortizzare gli shock esterni.

Queste perturbazioni sono solitamente causate da variazioni anomale di nutrienti, temperatura, pioggia o altri fattori limitanti, epidemie o invasioni di specie aliene. La rete alimentare può registrarsi quando questi cambiamenti si verificano, con variazioni nelle popolazioni, e i consumatori tendono ad avere una dieta variata.

Uno dei meccanismi di regolazione dell'omeostasi dell'ecosistema è regolare la dimensione massima sostenibile della popolazione, il che comporta generalmente la morte per fame di un gran numero di individui.

Successioni Secondarie e Regressione

A volte un ecosistema subisce un disturbo intenso, come incendi, inondazioni o un uragano, che ne modifica profondamente la struttura. La perturbazione produce una regressione: l'ecosistema viene riportato a uno stato precedente in cui la biomassa e la complessità erano minori, e alcune specie si riducono o scompaiono.

Se il suolo rimane intatto dall'erosione, il ripristino della situazione di partenza può essere relativamente rapido, poiché l'ecosistema, pur essendo stato riportato a una fase iniziale di successione, "ricorda" uno stadio più alto. La successione ecologica iniziata in queste condizioni è detta successione secondaria.

Se il disturbo è stato così radicale da eliminare la vegetazione e il suolo, si considera che l'ecosistema sia scomparso e l'area inizia una nuova successione primaria, che può portare a un ecosistema diverso da quello precedente.

Regressione Auto-Indotta

La regressione può essere di origine antropica (come nel caso di incendi, deforestazione, scarico di inquinanti, ecc.) o, talvolta, dovuta a fattori naturali esterni all'ecosistema, come un'eruzione vulcanica.