Nutrienti e Flusso di Energia negli Ecosistemi: Fondamenti e Funzioni

NUTRIENTI

Ci sono sostanze nutritive che possono essere limitate in alcuni luoghi, limitando la produzione primaria degli ecosistemi. In evidenza:

• Azoto: è un componente della clorofilla e degli enzimi Rubisco. Anche se l'azoto è abbondante in atmosfera, solo pochi microrganismi sono in grado di usarlo. Le piante lo ottengono sotto forma di nitrati disciolti in acqua.
• Fosforo: parte di composti come acidi nucleici e ATP. Un importo inferiore è necessario, ma la mancanza di fosforo limita la produzione primaria in molti luoghi.

LUCE

La luce è la fonte di energia che permette la fotosintesi e la produzione primaria. Gli aumenti di produzione primaria sono lineari con l'intensità della luce, ma la crescita sta rallentando sino a raggiungere un tasso massimo di fotosintesi al valore di intensità luminosa di saturazione.

La luce è uno dei principali fattori limitanti degli ecosistemi acquatici.

DECOMPOSITORI

I decompositori sono batteri e funghi che negli ecosistemi terrestri si trovano nel suolo e negli ecosistemi acquatici nei sedimenti del fondo.

Questi organismi si nutrono della decomposizione dei rifiuti organici trattati dai detritivori.

I decompositori producono materia organica, che alla fine si trasforma in sali inorganici e minerali, chiudendo il ciclo della materia.

Il ruolo dei decompositori negli ecosistemi è essenziale, perché sono responsabili della rigenerazione dei composti minerali necessari agli autotrofi. Questo è chiamato mineralizzazione.

FLUSSO DI ENERGIA

Il flusso di energia negli ecosistemi ha queste caratteristiche:

• Unidirezionale: l'energia fluisce sempre dai produttori ai consumatori e infine ai decompositori, ma mai il contrario.
• Aperto: abbiamo bisogno di un approvvigionamento continuo di energia affinché gli ecosistemi funzionino.
• Efficienza: diminuisce nei successivi livelli trofici.
• Produzione: è ridotta ad ogni livello. L'energia immagazzinata in un livello trofico è solo il 10% di quella memorizzata nel livello precedente.

CICLO DELLA MATERIA

I nutrienti minerali che le piante ottengono servono per sintetizzare le loro biomolecole organiche, passando attraverso i vari livelli di consumatori, per raggiungere i decompositori. A questo livello, vengono rilasciati nuovamente nel mezzo di nutrienti minerali, al fine di essere riutilizzati dai produttori. Questo processo è chiamato ciclo della materia.

PIRAMIDE TROFICA

Rappresenta le relazioni trofiche in un ecosistema, senza fornire dettagli su particolari specie e la loro posizione nella catena alimentare, ma dando una visione globale del ruolo dei diversi livelli trofici.

NUMERO PIRAMIDE

Nelle piramidi di numeri, le lunghezze dei passi sono proporzionali al numero di individui di tutte le specie di ciascun livello trofico per unità di superficie o volume.

La forma di queste piramidi varia da una regione all'altra in base alle dimensioni degli individui.

Queste piramidi non rappresentano un chiaro rapporto trofico, perché la dimensione degli individui è importante per capire i loro bisogni nutrizionali.

BIOMASSE PIRAMIDI

In queste piramidi, le lunghezze dei passi sono proporzionali al peso secco di tutti gli individui di ogni livello trofico per unità di superficie o volume.

Queste piramidi descrivono meglio le relazioni trofiche degli ecosistemi, perché indicano la quantità di materia organica che può essere mangiata a ciascun livello trofico, ma non esprimono l'importo trasferito da un livello a un altro.

PIRAMIDE DI PRODUZIONE DI RETE

In queste piramidi, le lunghezze dei passi sono proporzionali all'energia prodotta per unità di tempo da tutti gli individui in ogni livello trofico per unità di superficie.

Queste forniscono una migliore visione d'insieme delle relazioni trofiche degli ecosistemi, perché ci danno un'idea dell'energia che passa da un livello trofico all'altro attraverso la catena alimentare.

Le piramidi di energia sono caratterizzate da:

• Mai invertite: i bracci inferiori sono sempre superiori a quelli superiori.
• Non mostrano variazioni stagionali: non presentano la situazione di un tempo particolare.

(Punto 10)

• BIOSFERA per gli ecosistemi.

La biosfera, che noi chiamiamo Terra, è lo strato in cui si trovano gli esseri viventi. Questo è il sottosistema terrestre che comprende la vita e mantiene i rapporti con le altre tre sottosistemi terrestri: l'idrosfera, la geosfera e l'atmosfera.

La biosfera è uno strato eterogeneo, ha uno spessore variabile e anche le sue caratteristiche ambientali sono variabili. I vari territori presenti sulla Terra differiscono per la varietà della vita in essi presenti.

Perché una parte della Terra sia abitabile, deve soddisfare almeno le seguenti caratteristiche:

• Essere dotata di acqua.
• Avere temperature che permettano l'esistenza di acqua allo stato liquido.
• Essere dotata di una fonte di alimentazione, di solito la luce del sole.

All'interno della biosfera, l'energia si sposta da un organismo all'altro attraverso le relazioni trofiche in quello che viene chiamato il ciclo della materia. L'energia ottenuta per l'alimentazione di vita si trasforma in lavoro e calore, quindi è essenziale un approvvigionamento continuo di energia. Questo processo è chiamato flusso di energia.

ECOSISTEMI

Un ecosistema è l'area della biosfera formata da organismi viventi di diverse specie e dall'ambiente fisico, in cui ci sono molte relazioni, lo scambio di materia ed energia.

I componenti degli ecosistemi sono:

• Biotica: la biocenosi è formata da organismi viventi di diverse specie in relazione tra loro all'interno di un ecosistema.
• Abiotica: il biotopo è lo spazio di un ecosistema formato dalle sue proprietà chimiche e dai fattori fisici (temperatura, illuminazione, ecc.).

Le caratteristiche degli ecosistemi sono:

• I componenti interagiscono. I suoi componenti interagiscono in modo vario e complesso, permettendo di funzionare come un'unità.
• Sono sistemi di autoregolazione: le interazioni rendono gli ecosistemi tendenti a essere stabili nel tempo.
• La loro dimensione è molto variabile: si assicura che le caratteristiche fisiche del biotopo siano simili; il clima dovrebbe essere comune e non ci dovrebbero essere grandi variazioni nella chimica o negli esseri viventi. Inoltre, non dovrebbe essere troppo complesso; la biosfera è studiata come un ecosistema.
• Sono sistemi aperti per l'energia: il riciclaggio è una funzione degli ecosistemi. Questo campo è utilizzato da altre agenzie di biocenosi, tornando infine a produrre componenti minerali nel biotopo. Questo processo è chiamato ciclo della materia.

PRODUTTORI

Chemosynthetic PRODUTTORI

Sono alcuni rappresentanti del regno Monera. Non usano la luce, ma ottengono energia da reazioni chimiche di ossidazione che catalizzano. Questa reazione esotermica, in cui viene rilasciata energia, può essere utilizzata per produrre composti organici di cui hanno bisogno.

Fotosintetici PRODUTTORI

Piante, alghe unicellulari e pluricellulari e cianobatteri svolgono lo stesso tipo di fotosintesi ossigenica, nella quale la clorofilla è il pigmento principale che assorbe l'energia della luce.

I principali produttori sono le piante terrestri e acquatiche, il fitoplancton negli ecosistemi. In tutti i casi, il pigmento che assorbe la luce è la clorofilla, e l'acqua è la fonte di protoni ed elettroni, producendo ossigeno come prodotto di scarto. Il processo ha due fasi:

• Fissazione di CO2 o fase oscura, in cui si produce glucosio. L'enzima che catalizza la reazione di fissazione di CO2 si chiama Rubisco.
• Reazioni di luce o fase luminosa, che si svolgono attraverso l'assorbimento della luce da parte della clorofilla.

I produttori convertono l'energia luminosa in energia chimica.

BIOMASSA

È il peso della materia organica accumulata per unità di superficie. La biomassa dei produttori primari è chiamata biomassa.

Il flusso di energia degli ecosistemi inizia con l'assorbimento della luce solare da parte dei produttori.

PRODUZIONE

Il tasso di accumulo di energia sotto forma di materia organica. La quantità di materia organica prodotta dai produttori per unità di tempo è la produzione primaria.

Ci sono due tipi di produzione primaria:

• Produzione primaria lorda (GPP): è la quantità totale di energia fissata in materia organica.
• Produzione primaria netta (NPP): è la biomassa realmente guadagnata dai produttori.

FATTORI CHE LIMITANO LA PRODUZIONE PRIMARIA

TEMPERATURA E UMIDITÀ

La produzione primaria aumenta con la temperatura.

• Temperature minime sono necessarie per l'attività fotosintetica.
• L'umidità ha un effetto importante sul tasso di fotosintesi.

Le alte temperature aumentano la produzione quando la disponibilità di acqua è elevata. Altrimenti, quando l'evapotraspirazione supera la capacità di rinnovare l'acqua nelle piante, i loro stomi si chiudono, riducendo la concentrazione di CO2 nelle cellule delle foglie e fermando la fotosintesi. Inizia così la fotorespirazione, un processo simile al respiro che non produce energia e provoca mancanza di respiro.