If youwant me again, look for me under your boot-sole.”
– Walt Whitman
In questa lezione, impareremo le risposte alle seguenti domande:
- Cos’è un ecosistema, e come si può studiarne uno?
- La Terra è un sistema aperto o chiuso rispetto all’energia e agli elementi?
- Come si definiscono i “cicli biogeochimici” e come sono importanti per gli ecosistemi?
- Quali sono i principali controlli sulla funzione degli ecosistemi?
- Quali sono i principali fattori responsabili delle differenze tra gli ecosistemi nel mondo?
| 10/20/2017 |  Formato per la stampa |
Introduzione
Nelle lezioni precedenti abbiamo imparato a conoscere la Terra e il suo ambiente, e abbiamo imparato la diversità della vita sul pianeta e le interazioni ecologiche tra le specie. Ora combineremo queste due componenti fondamentali e considereremo come l’ambiente e la vita interagiscono in “ecosistemi”. Ma prima di questo dovremmo tornare ad un argomento introdotto proprio all’inizio della lezione, che è quello della sostenibilità e di come la vediamo in termini di scienza dei sistemi.
Sostenibilità e scienza dei sistemi – L’esempio di sostenibilità usato all’inizio della lezione era di considerare che io do a tutti un dollaro ogni volta che venite in classe. La domanda era: È sostenibile? A lezione abbiamo concordato che erano necessarie più informazioni per rispondere a questa domanda. Per esempio, avevamo bisogno di sapere quanti soldi ho, o la “scorta” di denaro (ad esempio, se ci fossero 100 studenti in classe e io avessi una scorta di 100 dollari, questo funzionerebbe una volta…). E se spendo soldi per altre cose come il cibo? Qual è l'”input” o il tasso di rinnovo o il “tempo di rotazione” del denaro nel mio conto bancario, rispetto alla velocità con cui consumo il denaro? E se la dimensione della classe cresce perché la popolarità della classe aumenta? Vediamo subito che questo è un “sistema” che ha un punto di equilibrio che dipende da molte altre parti del “sistema”. Risolvere questo problema è un esempio di “pensiero sistemico”, e dobbiamo imparare ad applicarlo alla scienza e ai problemi della sostenibilità.
Concetti scientifici, applicati agli ecosistemi e alla sostenibilità.
Lavorare su questo semplice esempio illustra quanto complessa possa diventare la questione della sostenibilità. Tuttavia, ciò che troviamo anche è che in tutti questi problemi c’è un insieme comune di concetti e principi scientifici chiave che impareremo a comprendere in questo corso – questi concetti includono i seguenti (ci saranno esempi più specifici in seguito):
Standing Stock = la quantità di materiale in un “pool”, come la quantità di petrolio nel terreno o di gas serra nell’atmosfera. “In piedi” si riferisce alla quantità al momento attuale (come quello che è lo stock di alberi in piedi nella foresta in questo momento).
Equilibrio di massa = porre la domanda “i numeri si sommano?” Se ho bisogno di 100 dollari ogni classe da dare agli studenti, ma ho solo 1 dollaro, allora il bilancio di massa è sbagliato. Possiamo anche usare un’equazione di bilancio di massa per determinare come un sistema sta cambiando nel tempo (lo faremo in una lezione successiva per i gas che intrappolano il calore nell’atmosfera).
Flusso di materiale = l’entrata o l’uscita di materiale da un sistema, come la quantità di petrolio che pompiamo fuori dalla terra ogni anno, o la quantità di gas serra che pompiamo nell’atmosfera ogni anno bruciando combustibili fossili.
Tempo di residenza = lo stock permanente diviso per il tasso di flusso, che fornisce il tempo medio che i materiali hanno trascorso in circolazione in un bacino – per esempio, il tempo di residenza del metano nell’atmosfera è di circa 10 anni.
Feedback negativi e positivi = i feedback negativi tendono a rallentare un processo, mentre i feedback positivi tendono ad accelerarlo. Per esempio, in un mondo che si riscalda le calotte di ghiaccio si scioglieranno, il che riduce l’albedo della Terra, tratteniamo più energia termica del sole, e questo accelera il riscaldamento che a sua volta scioglie più calotte di ghiaccio – questo è un feedback positivo.
Che cos’è un ecosistema?
Un ecosistema consiste nella comunità biologica che si trova in un certo luogo, e nei fattori fisici e chimici che costituiscono il suo ambiente non vivente o abiotico. Ci sono molti esempi di ecosistemi: uno stagno, una foresta, un estuario, una prateria. I confini non sono fissati in modo oggettivo, anche se a volte sembrano ovvi, come nel caso della linea di riva di un piccolo stagno. Di solito i confini di un ecosistema sono scelti per ragioni pratiche che hanno a che fare con gli obiettivi dello studio particolare.
Lo studio degli ecosistemi consiste principalmente nello studio di certi processi che collegano le componenti viventi, o biotiche, alle componenti non viventi, o abiotiche. I due principali processi che gli scienziati degli ecosistemi studiano sono le trasformazioni energetiche e i cicli biogeochimici. Come abbiamo imparato prima, l’ecologia è generalmente definita come le interazioni degli organismi tra di loro e con l’ambiente in cui si trovano. Possiamo studiare l’ecologia a livello dell’individuo, della popolazione, della comunità e dell’ecosistema.
Gli studi sugli individui riguardano soprattutto la fisiologia, la riproduzione, lo sviluppo o il comportamento, mentre gli studi sulle popolazioni si concentrano di solito sulle necessità di habitat e risorse di specie particolari, sui loro comportamenti di gruppo, sulla crescita della popolazione e su ciò che limita la loro abbondanza o causa l’estinzione. Gli studi sulle comunità esaminano come le popolazioni di molte specie interagiscono l’una con l’altra, come i predatori e le loro prede, o i concorrenti che condividono esigenze o risorse comuni.
Nell’ecologia dell’ecosistema mettiamo tutto questo insieme e, per quanto possibile, cerchiamo di capire come funziona il sistema nel suo insieme. Questo significa che, piuttosto che preoccuparci principalmente di specie particolari, cerchiamo di concentrarci sui principali aspetti funzionali del sistema. Questi aspetti funzionali includono cose come la quantità di energia prodotta dalla fotosintesi, come l’energia o i materiali scorrono lungo i molti passi di una catena alimentare, o cosa controlla il tasso di decomposizione dei materiali o il tasso al quale i nutrienti (necessari per la produzione di nuova materia organica) sono riciclati nel sistema.
Componenti di un ecosistema Avete già familiarità con le parti di un ecosistema. Da questo corso e dalla conoscenza generale, hai anche una comprensione di base della diversità di piante e animali, e di come piante e animali e microbi ottengono acqua, nutrienti e cibo. Possiamo chiarire le parti di un ecosistema elencandole sotto le voci “abiotico” e “biotico”.
| Luce del sole | Produttori primari |
| Temperatura | Erbivori |
| Precipitazioni | Carnivori |
| Acqua o umidità | Omnivori |
| Chimica del suolo o dell’acqua (es.g., P, NO3, NH4) | Detritori |
| ecc. | ecc. |
In generale, questo insieme di componenti e fattori ambientali è importante quasi ovunque, in tutti gli ecosistemi.
Di solito, le comunità biologiche includono i “raggruppamenti funzionali” mostrati sopra. Un gruppo funzionale è una categoria biologica composta da organismi che svolgono principalmente lo stesso tipo di funzione nel sistema; per esempio, tutte le piante fotosintetiche o i produttori primari formano un gruppo funzionale. L’appartenenza al gruppo funzionale non dipende molto da chi sono gli effettivi protagonisti (specie), ma solo dalla funzione che svolgono nell’ecosistema.
Processi degli ecosistemi
Questa figura con le piante, la zebra, il leone e così via, illustra le due idee principali sul funzionamento degli ecosistemi: gli ecosistemi hanno flussi di energia e gli ecosistemi riciclano materiali. Questi due processi sono collegati, ma non sono proprio la stessa cosa (vedi Figura 1).
Figura 1. L’energia entra nel sistema biologico come energia luminosa, o fotoni, viene trasformata in energia chimica nelle molecole organiche dai processi cellulari tra cui la fotosintesi e la respirazione, e infine viene convertita in energia termica. Questa energia viene dissipata, cioè viene persa dal sistema come calore; una volta persa non può essere riciclata. Senza il continuo apporto di energia solare, i sistemi biologici si spegnerebbero rapidamente. Quindi la Terra è un sistema aperto rispetto all’energia.
Elementi come carbonio, azoto o fosforo entrano negli organismi viventi in vari modi. Le piante ottengono elementi dall’atmosfera circostante, dall’acqua o dal suolo. Gli animali possono anche ottenere elementi direttamente dall’ambiente fisico, ma di solito li ottengono principalmente come conseguenza del consumo di altri organismi. Questi materiali vengono trasformati biochimicamente all’interno dei corpi degli organismi, ma prima o poi, a causa dell’escrezione o della decomposizione, vengono restituiti allo stato inorganico (cioè, materiale inorganico come carbonio, azoto e fosforo, invece di quegli elementi legati alla materia organica). Spesso i batteri completano questo processo, attraverso il processo chiamato decomposizione o mineralizzazione (vedi la prossima lezione sui microbi).
Durante la decomposizione questi materiali non vengono distrutti o persi, quindi la Terra è un sistema chiuso rispetto agli elementi (con l’eccezione di un meteorite che entra nel sistema ogni tanto…). Gli elementi sono ciclati all’infinito tra i loro stati biotici e abiotici all’interno degli ecosistemi. Gli elementi la cui fornitura tende a limitare l’attività biologica sono chiamati nutrienti.
La trasformazione dell’energia
Le trasformazioni di energia in un ecosistema iniziano prima con l’ingresso di energia dal sole. L’energia del sole è catturata dal processo di fotosintesi. L’anidride carbonica si combina con l’idrogeno (derivato dalla scissione delle molecole d’acqua) per produrre carboidrati (la notazione sintetica è “CHO”). L’energia è immagazzinata nei legami ad alta energia dell’adenosina trifosfato, o ATP (vedi la lezione sulla fotosintesi).
Il profeta Isaah disse “tutta la carne è erba”, guadagnandosi il titolo di primo ecologista, perché praticamente tutta l’energia disponibile agli organismi ha origine nelle piante. Poiché è il primo passo nella produzione di energia per gli esseri viventi, si chiama produzione primaria (clicca qui per un’introduzione alla fotosintesi). Gli erbivori ottengono la loro energia consumando piante o prodotti vegetali, i carnivori mangiano gli erbivori, e i detritivori consumano gli escrementi e le carcasse di tutti noi.
La figura 2 rappresenta una semplice catena alimentare, in cui l’energia dal sole, catturata dalla fotosintesi delle piante, scorre dal livello trofico al livello trofico attraverso la catena alimentare. Un livello trofico è composto da organismi che si guadagnano da vivere allo stesso modo, cioè sono tutti produttori primari (piante), consumatori primari (erbivori) o consumatori secondari (carnivori). Scavengers, detritivori e decompositori rappresentano collettivamente l’uso di tutti questi “rifiuti” – i consumatori di carcasse e foglie cadute possono essere altri animali, come corvi e coleotteri, ma alla fine sono i microbi che finiscono il lavoro di decomposizione. Non sorprende che la quantità di produzione primaria vari molto da luogo a luogo, a causa delle differenze nella quantità di radiazione solare e nella disponibilità di nutrienti e acqua.
Per ragioni che esploreremo più a fondo nelle lezioni successive, il trasferimento di energia attraverso la catena alimentare è inefficiente. Questo significa che a livello di erbivoro è disponibile meno energia che a livello di produttore primario, meno ancora a livello di carnivoro, e così via. Il risultato è una piramide di energia, con importanti implicazioni per la comprensione della quantità di vita che può essere sostenuta.
Di solito quando pensiamo alle catene alimentari visualizziamo piante verdi, erbivori e così via. Ci si riferisce a queste catene alimentari come pascolatori, perché le piante viventi sono direttamente consumate. In molte circostanze l’input energetico principale non è costituito da piante verdi ma da materia organica morta. Questi sono chiamati catene alimentari detritiche, come ad esempio il suolo della foresta o un ruscello in una zona boschiva, una palude salata e, ovviamente, il fondo dell’oceano in zone molto profonde dove tutta la luce del sole si spegne a 1000 metri di altezza. Nelle lezioni successive torneremo su queste importanti questioni riguardanti il flusso di energia.
Infine, anche se abbiamo parlato di catene alimentari, in realtà l’organizzazione dei sistemi biologici è molto più complicata di quanto possa essere rappresentata da una semplice “catena”. Ci sono molti collegamenti e catene alimentari in un ecosistema, e ci riferiamo a tutti questi collegamenti come una rete alimentare. Le reti alimentari possono essere molto complicate, dove sembra che “tutto sia collegato a tutto il resto” (questo è un punto importante di questa lezione), ed è importante capire quali sono i collegamenti più importanti in ogni particolare rete alimentare. La domanda successiva è: come facciamo a determinare quali sono i processi o i collegamenti importanti nelle reti alimentari o negli ecosistemi? Gli scienziati degli ecosistemi usano diversi strumenti, che possono essere descritti generalmente con il termine “biogeochimica”.
Biogeochimica
Come possiamo studiare quali di questi collegamenti in una rete alimentare sono più importanti? Un modo ovvio è quello di studiare il flusso di energia o il ciclo degli elementi. Per esempio, il ciclo degli elementi è controllato in parte dagli organismi, che immagazzinano o trasformano gli elementi, e in parte dalla chimica e dalla geologia del mondo naturale. Il termine biogeochimica è definito come lo studio di come i sistemi viventi (biologia) influenzano e sono controllati dalla geologia e dalla chimica della terra. Così la biogeochimica comprende molti aspetti del mondo abiotico e biotico in cui viviamo.
Ci sono diversi principi e strumenti principali che i biogeochimici usano per studiare i sistemi terrestri. La maggior parte dei principali problemi ambientali che affrontiamo oggi nel nostro mondo possono essere analizzati usando principi e strumenti biogeochimici. Questi problemi includono il riscaldamento globale, le piogge acide, l’inquinamento ambientale e l’aumento dei gas serra. I principi e gli strumenti che usiamo possono essere suddivisi in 3 componenti principali: rapporti degli elementi, bilancio di massa e cicli degli elementi.
1. Rapporti degli elementi
Nei sistemi biologici, ci riferiamo a elementi importanti come “conservatori”. Questi elementi sono spesso nutrienti. Con “conservativo” intendiamo che un organismo può cambiare solo leggermente la quantità di questi elementi nei suoi tessuti se vuole rimanere in buona salute. È più facile pensare a questi elementi conservatori in relazione ad altri elementi importanti nell’organismo. Per esempio, nelle alghe sane gli elementi C, N, P e Fe hanno il seguente rapporto, chiamato rapporto Redfield dal nome dell’oceanografo che lo scoprì. Il rapporto del numero di atomi di questi elementi (riferito a 1 atomo di P) è il seguente:
C : N : P : Fe = 106 : 16 : 1: 0.01
Una volta che conosciamo questi rapporti, possiamo confrontarli con i rapporti che misuriamo in un campione di alghe per determinare se le alghe mancano di uno dei nutrienti limitanti.
2. Bilancio di massa
Un altro strumento importante che i biogeochimici usano è una semplice equazione di bilancio di massa per descrivere lo stato di un sistema. Il sistema potrebbe essere un serpente, un albero, un lago o l’intero globo. Usando un approccio di bilancio di massa possiamo determinare se il sistema sta cambiando e quanto velocemente sta cambiando. L’equazione è:
CAMBIO NETTO = INGRESSO + USCITA + CAMBIAMENTO INTERNO
In questa equazione il cambiamento netto nel sistema da un periodo di tempo all’altro è determinato da quali sono gli ingressi, quali sono le uscite e quale è stato il cambiamento interno nel sistema.L’esempio dato in classe è l’acidificazione di un lago, considerando gli ingressi e le uscite e il cambiamento interno dell’acido nel lago.
3. Ciclismo degli elementi
Il ciclismo degli elementi descrive dove e quanto velocemente gli elementi si muovono in un sistema. Ci sono due classi generali di sistemi che possiamo analizzare, come menzionato sopra: sistemi chiusi e aperti.
Un sistema chiuso si riferisce a un sistema in cui le entrate e le uscite sono trascurabili rispetto ai cambiamenti interni. Esempi di tali sistemi sono una bottiglia o un globo terrestre. Ci sono due modi in cui possiamo descrivere la ciclicità dei materiali all’interno di questo sistema chiuso, guardando il tasso di movimento o i percorsi di movimento.
- Rate = numero di cicli/tempo. All’aumentare del tasso, aumenta la produttività
- Pathways – importante a causa delle diverse reazioni che possono avvenire lungo diversi percorsi
In un sistema aperto ci sono ingressi e uscite, oltre ai cicli interni. Così possiamo descrivere le velocità di movimento e i percorsi, proprio come abbiamo fatto per il sistema chiuso, ma possiamo anche definire un nuovo concetto chiamato tempo di residenza (uno dei nostri concetti scientifici menzionati all’inizio della lezione). Il tempo di residenza indica quanto tempo in media un elemento rimane all’interno del sistema prima di lasciare il sistema.
- Rate
- Pathways
- Tempo di residenza, Rt
Rt = quantità totale di materia / tasso di uscita della materia
(Nota che le “unità” in questo calcolo devono annullarsi correttamente)
Controlli sulla funzione dell’ecosistema
Ora che abbiamo imparato qualcosa su come gli ecosistemi sono composti e come i materiali e l’energia fluiscono attraverso gli ecosistemi, possiamo affrontare meglio la domanda “cosa controlla la funzione dell’ecosistema”? Ci sono due teorie dominanti sul controllo degli ecosistemi. La prima, chiamata controllo dal basso verso l’alto, afferma che è la fornitura di nutrienti ai produttori primari che alla fine controlla il funzionamento degli ecosistemi. Se la fornitura di nutrienti viene aumentata, il conseguente aumento della produzione di autotrofi si propaga attraverso la rete alimentare e tutti gli altri livelli trofici risponderanno alla maggiore disponibilità di cibo (l’energia e i materiali circoleranno più velocemente).
La seconda teoria, chiamata top-downcontrol, afferma che la predazione e il pascolo da parte dei livelli trofici superiori sui livelli trofici inferiori controlla alla fine la funzione dell’ecosistema. Per esempio, se si ha un aumento dei predatori, tale aumento si tradurrà in un minor numero di pastori, e la diminuzione dei pastori si tradurrà a sua volta in un maggior numero di produttori primari perché un minor numero di essi viene mangiato dai pastori. Così il controllo dei numeri della popolazione e della produttività complessiva “a cascata” dai livelli superiori della catena alimentare fino ai livelli trofici inferiori. Nelle lezioni precedenti questa idea è stata anche introdotta e spiegata come “cascata trofica”.
Quindi, quale teoria è corretta? Beh, come spesso accade quando c’è una chiara dicotomia tra cui scegliere, la risposta si trova da qualche parte nel mezzo. Ci sono prove da molti studi sugli ecosistemi che entrambi i controlli stanno operando in una certa misura, ma che nessuno dei due controlli è completo. Per esempio, l’effetto “top-down” è spesso molto forte ai livelli trofici vicini ai predatori superiori, ma il controllo si indebolisce man mano che si scende nella catena alimentare verso i produttori primari. Allo stesso modo, l’effetto “bottom-up” dell’aggiunta di nutrienti di solito stimola la produzione primaria, ma la stimolazione della produzione secondaria più in alto nella catena alimentare è meno forte o assente.
Quindi troviamo che entrambi questi controlli operano in qualsiasi sistema in qualsiasi momento, e dobbiamo capire l’importanza relativa di ogni controllo per aiutarci a prevedere come un ecosistema si comporterà o cambierà in circostanze diverse, come nel caso di un clima che cambia.
La geografia degli ecosistemi
Ci sono molti ecosistemi diversi: foreste pluviali e tundra, barriere coralline e stagni, praterie e deserti. Il modo in cui gli ecosistemi terrestri ci appaiono è influenzato principalmente dalla vegetazione dominante.
La parola “bioma” è usata per descrivere un tipo di vegetazione importante come la foresta pluviale tropicale, le praterie, la tundra, ecc. che si estende su una vasta area geografica (Figura 3). Non è mai usato per sistemi acquatici, come stagni o barriere coralline. Si riferisce sempre a una categoria di vegetazione che è dominante su una scala geografica molto grande, e quindi è un po’ più ampia geograficamente di un ecosistema.
Figura 3: La distribuzione dei biomi.
Possiamo attingere alle lezioni precedenti per ricordare che i modelli di temperatura e pioggia per una regione sono distinti.Ogni luogo sulla Terra riceve lo stesso numero totale di ore di luce solare ogni anno, ma non la stessa quantità di calore. I raggi del sole colpiscono direttamente le basse latitudini ma le alte latitudini in modo obliquo. Questa distribuzione ineguale del calore non crea solo differenze di temperatura, ma vento globale e correnti oceaniche che a loro volta hanno molto a che fare con il luogo in cui si verificano le precipitazioni. Aggiungiamo gli effetti di raffreddamento dell’elevazione e gli effetti delle masse terrestri sulla temperatura e sulle precipitazioni, e otteniamo un complicato modello globale di clima.
Una vista schematica della terra mostra che, per quanto complicato possa essere il clima, molti aspetti sono prevedibili (Figura 4). L’alta energia solare che colpisce vicino all’equatore assicura temperature alte quasi costanti e alti tassi di evaporazione e traspirazione delle piante; l’aria calda sale, si raffredda e perde la sua umidità, creando proprio le condizioni per una foresta tropicale. Contrasta la temperatura stabile ma le precipitazioni variabili di un sito a Panama con le precipitazioni relativamente costanti ma la temperatura che cambia stagionalmente di un sito nello stato di New York. Ogni località ha un grafico pioggia-temperatura che è tipico di una regione più ampia.
Figura 4. I modelli climatici influenzano la distribuzione dei biomi.
Possiamo attingere alla fisiologia delle piante per sapere che certe piante sono distinte da certi climi, creando l’aspetto della vegetazione che chiamiamo biomi. Notate come la distribuzione dei biomi è ben tracciata sulla distribuzione dei climi (Figura 5). Notate anche che alcuni climi sono impossibili, almeno sul nostro pianeta. Precipitazioni elevate non sono possibili a basse temperature – non c’è abbastanza energia solare per alimentare il ciclo dell’acqua, e la maggior parte dell’acqua è congelata e quindi biologicamente indisponibile per tutto l’anno. L’alta tundra è un deserto come il Sahara.
Figura 5. La distribuzione dei biomi in relazione alla temperatura e alle precipitazioni.
Riassunto
- Gli ecosistemi sono fatti di componenti abiotiche (non viventi, ambientali) e biotiche, e questi componenti di base sono importanti per quasi tutti i tipi di ecosistemi. L’ecologia degli ecosistemi si occupa delle trasformazioni energetiche e dei cicli biogeochimici all’interno degli ecosistemi.
- L’energia viene continuamente immessa in un ecosistema sotto forma di energia luminosa, e una parte di energia viene persa con ogni trasferimento a un livello trofico superiore. I nutrienti, d’altra parte, sono riciclati all’interno di un ecosistema, e la loro fornitura normalmente limita l’attività biologica. Quindi, “l’energia fluisce, gli elementi si spostano”.
- L’energia si sposta attraverso un ecosistema attraverso una rete alimentare, che è composta da catene alimentari interconnesse. L’energia è prima catturata dalla fotosintesi (produzione primaria). La quantità di produzione primaria determina la quantità di energia disponibile per i livelli trofici superiori.
- Lo studio di come gli elementi chimici si muovono attraverso un ecosistema è chiamato biogeochimica. Un ciclo biogeochimico può essere espresso come un insieme di depositi (pool) e trasferimenti, e può essere studiato usando i concetti di “stechiometria”, “bilancio di massa” e “tempo di residenza”.
- La funzione dell’ecosistema è controllata principalmente da due processi, controlli “top-down” e “bottom-up”.
- Un bioma è un tipo di vegetazione principale che si estende su una vasta area. La distribuzione dei biomi è determinata in gran parte dai modelli di temperatura e precipitazioni sulla superficie terrestre.
Rassegna e auto-test
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Rassegna dei principali termini e concetti di questa lezione.
Letture consigliate:
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