Ecosistema: Struttura, Funzioni e Dinamiche

Un ecosistema può essere definito come un sistema aperto composto da una parte chimico-fisica (biotopo) e una parte biotica (biocenosi), ovvero un insieme di esseri viventi in esso presenti. Naturalmente, tra le due parti si stabiliscono rapporti di tipo trofico.

Relazioni Trofiche

Le relazioni trofiche rappresentano il meccanismo di trasferimento di energia e materiale tra gli organismi sotto forma di cibo.

Produttori

I produttori sono al primo livello trofico, poiché sono organismi autotrofi, cioè producono composti organici a partire da materia inorganica e una fonte di energia. I più importanti sono i produttori autotrofi fotosintetici.

Consumatori

Parte della sostanza organica prodotta dai produttori è utilizzata come cibo dai consumatori, che la utilizzano per produrre ATP tramite respirazione cellulare e per riprodursi e crescere.

Decompositori

Se la materia organica prodotta dalle piante a partire da materia inorganica non ritornasse ai suoli e agli ecosistemi acquatici, questi si impoverirebbero di materia inorganica, mettendo in pericolo la vita delle piante e, di conseguenza, il resto dell'ecosistema.

Trasformatori

I trasformatori sono organismi eterotrofi saprofiti, che si nutrono di materia organica morta. Questo gruppo comprende funghi e batteri del suolo e dei fondali acquatici.

Mineralizzatori

I mineralizzatori sono batteri autotrofi che non si nutrono di materiale organico, ma di quello inorganico espulso dai trasformatori.

Catene Alimentari

Una volta individuati gli organismi ai diversi livelli trofici, si possono costruire le catene alimentari, che sono rappresentazioni lineari dei rapporti trofici, ovvero di come la materia organica passa da organismi appartenenti a diversi livelli trofici. La catena alimentare inizia dai produttori, da cui deriva il flusso di materia organica che passa attraverso i diversi tipi di consumatori.

Biomassa e Produzione

Biomassa

La biomassa è la quantità di peso secco per unità di superficie o di volume di un organismo o di un livello trofico determinato. Fornisce una misura della quantità di energia che l'organismo o il livello trofico contiene, poiché, rimossa l'acqua, il 99% del peso secco è costituito da materiale organico, e nei legami di questo si accumula l'energia chimica.

Produzione

La produzione è il rapporto tra l'aumento della biomassa e l'unità di tempo. La biomassa di un organismo, una popolazione o un livello trofico può variare nel tempo (ad esempio, la quantità di erba in un campo varia con le stagioni); definire questo parametro ci dà un'idea reale del flusso di energia attraverso un ecosistema.

Produzione Primaria e Secondaria

La produzione primaria (PP) è quella fissata dagli autotrofi, mentre la produzione secondaria (SP) è quella che corrisponde a uno qualsiasi degli altri livelli trofici. Anche se gli unici organismi che producono materia organica da materia inorganica sono i produttori, anche i consumatori hanno una produzione, nel senso che assimilano la materia organica e crescono con essa.

Produzione Lorda e Netta

La produzione lorda è la biomassa prodotta per unità di tempo da un organismo o livello trofico, includendo quella che sarà consumata dalla respirazione. La produzione netta è la produzione che tiene conto della perdita dovuta alla respirazione.

PN = PB - R

Regola del 10% (o di Lindeman)

L'energia che passa da un livello trofico all'altro è circa il 10% di quella accumulata nel livello precedente. Parte della luce che raggiunge le piante non viene utilizzata nel processo di fotosintesi. Inoltre, la SP è molto ridotta a causa della respirazione delle piante stesse. La NPP è l'energia disponibile per gli erbivori.

Produttività

Le misurazioni effettuate sulla produzione di due specie diverse sono differenti, per la stessa area, tempo e biomassa. Ciò è dovuto a un aumento della biomassa a velocità diverse. Definiamo la produttività come il rapporto tra produzione netta e biomassa. Si può dire che la produttività è la velocità con cui viene prodotta la biomassa, cioè la velocità con cui si rinnova la biomassa, per questo è anche chiamata tasso di rinnovo.

Cicli Biogeochimici

Ciclo del Carbonio

Il carbonio è presente nell'atmosfera sotto forma di CO₂, nella litosfera sotto forma di rocce carbonatiche, nell'idrosfera disciolto come bicarbonato e CO₂, e nella biosfera integrato in molecole organiche, scheletri di carbonato e bicarbonato e strutture formate in diversi organismi. Attraverso i processi di fotosintesi, respirazione e decomposizione, si mantiene un equilibrio.

Parte del ciclo del carbonio avviene sotto forma di detriti organici che, dopo i processi di decomposizione, sono sottoposti a condizioni metamorfiche e formano carbone e petrolio. Un altro serbatoio di carbonio è l'anidride carbonica che si dissolve facilmente in acqua e genera acido carbonico, che può reagire con rocce carbonatiche originando bicarbonato. Gli ioni bicarbonato e calcio disciolti in acqua sono usati dagli animali per formare i loro scheletri di carbonato di calcio. Una volta morti, gli scheletri sono soggetti a processi di accumulazione e cementazione e formano calcari.

Enormi quantità di carbonio sono state rimosse dall'atmosfera attraverso quest'ultimo processo, il che spiega la graduale diminuzione delle emissioni di CO₂. L'intervento umano in questo ciclo è duplice: da un lato, l'uomo sta minacciando la biodiversità, essendo attualmente il consumatore più vorace; dall'altro, sta accentuando l'effetto serra rilasciando enormi quantità di CO₂ nell'atmosfera dalla combustione di carbone, petrolio e gas naturale. Entrambe le questioni saranno discusse più avanti.

Ciclo dell'Azoto

L'azoto è presente nell'atmosfera come N₂ e, in misura minore, come molecole di NO, NO₂, N₂O, genericamente note come NOx, che possono essere rilasciate dai vulcani e formarsi durante le tempeste. Nella litosfera, è presente nelle rocce che rilasciano nitrati. Nell'idrosfera, appare disciolto sotto forma di nitrati e nitriti, mentre nella biosfera è assorbito sotto forma di nitrato, incorporato in molecole organiche attraverso la fotosintesi e trasferito ai consumatori.

Nel ciclo dell'azoto è necessario sottolineare il ruolo dei batteri mineralizzatori (Nitrosomonas e Nitrobacter) che trasformano l'ammoniaca rilasciata durante la decomposizione effettuata da funghi e batteri in nitriti e poi in nitrati, chiudendo il ciclo di questo elemento. Allo stesso modo, ci sono alghe e batteri capaci di fissare l'N atmosferico e incorporarlo in molecole organiche. Si tratta di batteri fissatori, alghe azzurre e batteri che vivono in simbiosi nelle radici dei legumi: ceci, lenticchie, fagioli, erba medica, ecc. Ci sono altri batteri, denitrificanti, che convertono il nitrato del suolo in N₂, in modo che questo gas venga restituito all'atmosfera.

I resti di organismi marini morti si depositano sul fondo, si mescolano ai sedimenti marini e sono difficili da recuperare. Infine, ritornano alla terraferma sotto forma di rocce sedimentarie. Tuttavia, questa perdita non è un problema, poiché l'abbondanza di azoto nell'atmosfera è grande e ci sono microrganismi che possono fissarlo. L'intervento umano avviene attraverso un eccessivo utilizzo di fertilizzanti da parte degli agricoltori, i cui nitrati si dissolvono, raggiungendo fiumi e laghi. Qui diventano un nutriente ideale per le alghe, che crescono rapidamente. Quando scendono sul fondo e muoiono, i decompositori crescono esponenzialmente, consumando ossigeno e privando gli altri organismi di questi ecosistemi. Questa forma di inquinamento è chiamata eutrofizzazione, che significa cibo in eccesso. Allo stesso modo, l'attività industriale che rilascia NOx, insieme a quelli rilasciati dai vulcani, forma acido nitrico nell'atmosfera una volta dissolto nelle goccioline di pioggia, contribuendo alla formazione delle piogge acide. Questi due problemi saranno discussi più avanti nelle unità sull'idrosfera e l'atmosfera.

Popolazioni ed Ecosistemi

Una popolazione è l'insieme degli individui di una specie che vive in un ecosistema. Essendo membri di una specie particolare, possono stabilire relazioni tra di loro. In una certa misura, la crescita della popolazione è determinata geneticamente, sia per il numero approssimativo delle nascite che per l'età al momento della morte. In condizioni ottimali (abbondanza di cibo, assenza di concorrenti, clima ideale, ecc.), la popolazione possiede un tasso di natalità (TN) elevato e un tasso di mortalità (TM) minimo, in modo che la crescita sia la massima possibile (potenziale biotico della specie). La differenza tra i due tassi (r = TN - TM) si chiama tasso di crescita intrinseco (r) e in queste circostanze si avvicina alla capacità portante.

La capacità portante non ha un valore fisso, ma varia a seconda del TN e del TM della specie in questione e della capacità degli ecosistemi coinvolti.

N_t+1 = N_t + r N_t [(K - N_t) / K]

Il termine [(K - N_t) / K] rappresenta la resistenza ambientale. Quando la popolazione è bassa, allora il termine tende a 1 e la crescita nel tempo è vicina all'esponenziale, ma con l'aumentare di N_t e l'avvicinarsi alla capacità di carico (K), allora il termine tende a zero, il che significa che blocca la crescita della popolazione. La rappresentazione di questa equazione dà una curva logistica.

Fattori di Resistenza Ambientale

I fattori che incidono nella crescita della popolazione sono di varia natura.

Fattori Abiotici Limitanti

È sufficiente che un singolo fattore abiotico (fisico-chimico) sia scarso per diventare un fattore limitante della crescita della popolazione.

Fattori che Limitano la Produzione Primaria

• Luce: La luce è un fattore scarso negli oceani, dove penetra solo per pochi metri di profondità.
• Nutrienti Inorganici: L'umidità è particolarmente importante nei sistemi di acqua dolce, diventando un limite nelle aree con climi aridi e semiaridi, dove prosperano soltanto le piante adattate a condizioni di siccità.
• Temperatura: La fotosintesi, come qualsiasi altro tipo di reazione biochimica, è catalizzata da enzimi, proteine che aumentano la velocità delle reazioni, senza le quali non si può concepire la vita come la conosciamo.

Fattori Biotici Limitanti

Le popolazioni interagiscono tra loro e quindi regolano anche la loro crescita.

Interazioni Intraspecifiche

Oltre ai fattori genetici (potenziale biotico) degli stock, ci sono le relazioni tra individui di una popolazione che contribuiscono al loro controllo, in modo che possa essere considerato come autoregolamentazione. Ci sono rapporti di competizione intraspecifica per il cibo, il territorio o la coppia che contribuiscono alla selezione naturale.

Interazioni Interspecifiche

Il fattore che ha un ulteriore controllo sulla crescita della popolazione è la disponibilità della produzione netta, ossia gli organismi o parti degli stessi che fungono da alimento.

Biodiversità

Per biodiversità si intende la ricchezza e la varietà delle specie e la loro abbondanza relativa. Pertanto, se si confrontano due comunità separate in due ecosistemi, sarà più diversa quella che ha un maggior numero di specie e, nel caso improbabile che avessero lo stesso numero, sarebbe quella che ha un maggior numero di individui per specie. Tra le funzioni della biodiversità ci sono:

• Contribuire a mantenere i livelli di gas nell'atmosfera e l'equilibrio dei cicli biogeochimici.
• Influenzare la creazione del flusso di energia e il riciclo di materia (formazione del suolo).
• Intervenire nella regolazione del clima.
• Essere il fattore fondamentale per la stabilità e l'equilibrio degli ecosistemi.