ecologia i parte
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Lezioni di ecologia
Prof. Claudio Leonzio
Haeckel (1866) La scienza comprensiva della relazione dell’organismo con
l’ambiente
Charles Elton (1927) Scienza che si occupa della sociologia ed economia degli animali
Krebs (1972) Lo studio scientifico delle interazioni che determinano la
distribuzione e l’abbondanza degli organismi
(dove, in che numero e perché)
Hutchinson (1970) La scienza dell’universo
Un formidabile esercizio del pensiero per spiegare come funziona
Il mondo
OBIETTIVI FORMATIVI
• Apprendere i concetti chiave dell’ecologia quali: flussi di energia, cicli della materia, dinamiche d popolazione, interazioni tra specie, evoluzione ecosistemica.
• Sviluppare la percezione sistemica della biosfera.
• Inquadrare i microprocessi nei macroprocessi.
• Interpretare i cambiamenti globali e locali nella genesi e nelle varie scale temporali.
• Appropriarsi del linguaggio ecologico.
programma
• L'Ecosistema Concetto di ecosistema. Struttura dell'ecosistema. Controllo Biologico dell'ambiente biochimico. Produzione globale e decomposizione. Classificazione degli ecosistemi.
• L'Energia nei sistemi ecologici Ambiente energetico. Concetto di produttivita'. Catene alimentari, reti alimentari, livelli trofici. Qualita' dell'energia. Metabolismo e dimensione dell'organismo. Struttura trofica e piramidi ecologiche. Teoria della complessita'. Energetica proporzionale e capacita' portante. Classificazione energetica degli ecositemi.
• Cicli biogeochimici Modelli e tipi fondamentali di cicli biogeochimici. Studio quantitativo dei cicli biogeochimici. Interferenze antropiche nei cicli naturali. Ciclo del carbonio. Ciclo dell’azoto. Ciclo del fosforo. Ciclo dello zolfo. Ciclo dell’ossigeno. Cicli sedimentari. Cicli degli elementi non essenziali. Percorsi di riciclizzazione: indice di riciclizzazione.
• Prova in itinere
programma
• Dinamica di popolazione Proprieta' di gruppo della popolazione. Ecotipi. Sviluppo della popolazione. Il modello logistico. Fluttuazioni cicliche. Fattori di controllo. Struttura della popolazione: aggregazione, isolamento, territorialita'. Ripartizione dell'energia e ottimizzazione. Strategie del ciclo biologico.
• Popolazioni e comunità
• Interazioni tra specie: classificazione. La competizione. Il modello di Lotka-Volterra. Il Principio di esclusione competitiva. Critica ai modelli teorici della competizione. Predazione, erbivoria, parassitismo e allelopatia. Commensalismo, cooperazione e mutualismo. Criptismo e mimetismo. Habitat, nicchia ecologica e corporazione. Coevoluzione. Diversita' biologica. Indici di biodiversità. Teorie sulla diversità. Comunità e gradienti.
• Sviluppo ed evoluzione degli ecosistemi Strategie di sviluppo di un ecosistema. Climax. Climax climatico ed edafico. Modello facilitativo. Modello competitivo. Teoria del monoclimax. Speciazione, micro e macroevoluzione.. Teoria dello sviluppo degli ecosistemi e della biosfera. Successioni ecologiche lungo i gradienti.
• Prova intermedia
• Esame orale
testi
• P. COLINVAUX – ECOLOGIA - EDises
• R. E. RICKLEFS - L' economia della natura
E. Zanichelli
• ODUM – ECOLOGIA un ponte tra scienza e
società – PICCIN
• SLIDE fornite dal docente
Condizioni essenziali per la vita sulla terra
Radiazione solare
Temperatura
Atmosfera
Magnetosfera
Elementi chimici disponibili
Acqua
Campo magnetico terrestre
Schermo protettivo contro il vento solare (plasma: gas ionizzato formato da protoni elettroni e particelle alfa)
Il campo magnetico terrestre fa da scudo alla superficie della Terra dalle particelle cariche del vento solare. È
compresso dal lato del giorno (ovvero del Sole) a causa della forza delle particelle in avvicinamento, mentre è
esteso dal lato della notte.
Radiazione solare Fonte energetica derivante da radiazioni di varie lunghezza d'onda ed intensità
Condizioni essenziali per la vita sulla terra
Atmosfera
Carbonio gassoso, successivamente ossigeno, protezione contro
meteoriti (ozonosfera)
Elementi chimici disponibili
Basi chimiche per la costruzione della materia vivente
Idrogeno
Elio
Ossigeno
Carbonio
Ferro
Azoto
Silicio
Magnesio
Zolfo
Acqua
Composto essenziale per il metabolismo
Componente primario dei fluidi biologici
Presente nelle cellule di procarioti ed eucarioti
Solvente di tutte le biomolecole
Partecipazione attiva alle reazioni biochimiche
Reagente principale della fotosintesi
Prodotto finale del metabolismo
Concetto di “abitabilità planetaria”
Condizioni di temperatura tali da mantenere l’acqua allo
stato liquido
Metabolismo: uso di diverse forme di energia per il funzionamento e la
produzione di componenti biologici funzionali e strutturali.
Crescita: mantenimento di un tasso di anabolismo più alto del catabolismo,
sfruttando energia e materiali per la biosintesi
Riproduzione: produzione di nuovi esseri capaci a loro volta di
autoreplicarsi
Omeostasi: regolazione dell'ambiente interno al fine di mantenerlo costante
anche a fronte di cambiamenti dell'ambiente esterno.
Interazione con l'ambiente: risposta appropriata agli stimoli
provenienti dall'esterno
Adattamento: applicato lungo le generazioni costituisce il fondamento
dell‘evoluzione.
LE SCALE DEL TEMPO
PLEISTOCENE OLOCENE
-1.800.000 -11.000 - OGGI
Il tempo nelle sue varie scale
definisce fenomeni ciclici o lineari
ma che portano sempre ad evoluzioni
dinamiche dei sistemi
Stromatoliti attuali - la più antica forma vivente sulla terra - 3.6 miliardi di anni
Età della terra
4.5 miliardi di anni
0.5 miliardi per le prime forme di vita
3.0 miliardi per le forme di vita
complesse e per la creazione
dell’atmosfera ossidante
L’ecologia studia
come, nelle ultime
spire della storia della
terra, la nascita degli
esseri viventi si sia
organizzata, non a
livello organismico, ma
a livello di integrazioni
progressive per
formare gli ecosistemi
ed i biomi del passato
e del presente.
La biosfera, complessa
almeno come quella
attuale è comparsa 500
milioni di anni fa.
Però la vita sulla terra,
fino dalla sua nascita,
ha profondamente
modificato la terra
•Bilancio dei gas atmosferici
•Ciclo dell’acqua
•Consolidamento delle coste e delle terre emerse
•Biocondizionamento dei fattori fisici
•Rallentamento dei processi entropici
Ipotesi di Gaia La vita, la biosfera, regola e mantiene il clima e
la composizione atmosferica ad uno stato
per sé ottimale (Lovelock, 1979)
Emissione gas
climalteranti
Kilimanjaro 1993
Kilimanjaro 2003
deforestazione
Perturbazioni sul ciclo dell’acqua
Eccessivo sforzo di pesca
Riduzione della complessità
Gestione errata del patrimonio naturale
inquinamento
Gas ozon-killer
bioinvasioni
Livelli di organizzazione gerarchica
• Atomo
• Molecola
• Macromolecola
• Cellula
• Tessuto
• Organo
Livelli di organizzazione gerarchica
• Individuo
• Popolazione
• Comunità
• Ecositemi
• Biomi
• Biosfera
Ecologia
I PRINCIPALI BIOMI
1- Principio delle proprietà emergenti
Proprietà emergente proprietà singole parti
Nuova proprietà sviluppata dalla combinazione
di una o più componenti gerarchiche
Esempi
•Combinazione di atomi
•Combinazione di cellule, tessuti, organi
•Combinazioni di popolazioni
2- Principio delle proprietà emergenti
Proprietà collettive effetti singole
componenti =
Esempi
• Tasso di nascite
• Consumo di energia
Almeno una proprietà emergente +
serie di proprietà collettive =
Integrazione di sub-insiemi
Conseguenze delle proprietà
emergenti
Sistemi gerarchicamente integrati evolvono più rapidamente dei loro componenti
Le interazioni tra le componenti non modificano la natura delle stesse ma danno origine a proprietà nuove ed esclusive
I sub-insiemi anche se separati conservano la capacità di riorganizzarsi ad un livello di complessità più alto
Componenti biotici + componenti abiotici
Ecosistema
Popolazioni autotrofe
Comunità o biocenosi autotrofe
Ecosistemi regionali
o subcontinentali
Popolazioni etrotrofe
Bioma
Comunità o biocenosi eterotrofe
COMUNITA’ INTEGRAZIONE DI POPOLAZIONI CARATTERIZZATE DA
PROCESSI RELAZIONALI
FONTE DI ENERGIA PRIMARIA: IL SOLE
ENERGIA INTEGRATIVA: LA CHEMIOSINTESI
Equilibrio Stazionario
Equilibrio che si automantiene
Ecosfera
Biosfera
massimo sistema
ecologico in equilibrio
stazionario
Formulazione fisico-matematica che
imita un fenomeno naturale
Modello
Previsioni
Definizione dei fattori chiave e delle proprietà
integrative principali
I
P2
P1 E F1
F2 P3 F6
F3
F4
E - funzioni di forza = risorse energetiche o altre forze esterne
P - variazioni di stato = proprietà intrinseche di un livello o di un sub-sistema
F - vie di flusso = flussi di energia o trasferimenti di materia che connettono tra
loro le proprietà e le forze
I - funzioni di interazione = interazioni tra forze per modificare i flussi o creare
nuove proprietà emergenti
Componenti per modellizzare un sistema ecologico
STATO Z Y
YX ZX
Z = entrate
Y = uscite
Lo stato del sistema ed il suo comportamento nel tempo
dipendono dall’interazione dell’entrata esterna Z con l’entrata
del circuito di feedback interno ZX
Modello generale (secondo Mesarovic e Takahara)
Ecosistema
Unità funzionale di base che include tutti gli
organismi che vivono in una determinate area
(comunità biotica) interagenti con l’ambiente fisico
L’energia in entrata porta ad una ben definita
struttura biotica e ad una ciclizzazione dei materiali
tra viventi e non viventi
Componenti fondamentali di un ecosistema
Comunità
Flusso di energia
Cicli dei materiali
L’ECOSISTEMA completo deve comprendere
ambienti limitrofi di entrata e di uscita.
Sentiero vitale di entrata dell’energia e dei
materiali.
Mezzo di esportazione di materiali ed energia.
sole
Altre
fonti
sistema
AMBIENTE
DI USCITA
materiali ed
energia
trasformati
AMBIENTE
DI ENTRATA Materiali ed
organismi
AE + S + AU = ecosistema
Modello di ecosistema (Pattern,1978)
Struttura dell’ecosistema
Strato superiore autotrofo (autonutriente) fascia verde o fotosintetica; fissazione dell’energia luminosa
sottoforma di legame chimico tra sostanze inorganiche
semplici per combinarle in sostanze organiche complesse
Strato inferiore eterotrofo (che si nutre di altri) Utilizzazione, trasformazione, decomposizione della materia
Strato autotrofo
Eterotrofi
consumatori
Eterotrofi
decompositori
Radiazione solare
parte del prodotto fotosintetico fresco viene utilizzato dai consumatori
il resto raggiunge il suolo o il sedimento dove diventa parte di un ben
definito sistema eterotrofo
Componenti di un ecosistema
SOSTANZE INORGANICHE
PRODUTTORI
ARIA, ACQUA, SUBSTRATO
COMPOSTI ORGANICI
MACROCONSUMATORI (I, II,III ordine)
MICROCONSUMATORI
DECOMPOSITORI
Produzione globale
Ogni anno sulla terra vengono prodotte approssimativamente
170.000.000.000 t
di sostanza organica per fotosintesi
Una quantità di poco inferiore di sostanza
organica viene ossidata a CO2 e H2O
Fotosintesi la rottura dei legami H-O dell’acqua,
la liberazione di ossigeno
la riduzione della CO2 a carboidrati
Respirazione
i carboidrati vengono ossidati a CO2 e i
legami H-O sono ristabiliti.
I cicli del carbonio, dell’ossigeno e
dell’idrogeno sono interconnessi dalla
fotosintesi e dalla respirazione
• Il processo di fotosintesi clorofilliana permette di trasferire il carbonio dalla sua forma ossidata, l'anidride carbonica CO , presente nell'atmosfera, alla sua forma ridotta (carboidrati), presente nei tessuti delle piante
• le piante costituiscono in peso più del 99% della materia vivente sulla nostra terra.
• Le molecole biologiche, essenzialmente costituite da C, H, N, O, P e S, sono caratterizzate da legami relativamente deboli, o, come si dice, ridotti, cioè ricchi di elettroni.
• Secondo le leggi della termodinamica le reazioni chimiche procedono spontaneamente verso situazioni di minore energia libera, caratterizzate da forti legami chimici e da massimo disordine.
•La materia vivente si mantiene perennemente in uno stato di NON
EQUILIBRIO in quanto le molecole degli organismi viventi continuano ad
esistere in presenza di un forte agente ossidante come l'ossigeno
atmosferico che tende ad acquisire elettroni.
•L'evoluzione verso una situazione di equilibrio termodinamico
comporterebbe la formazione di CO2 , H2O e NO3 .
•In effetti questo è proprio quello che succede quando gli organismi
muoiono.
•Le piante, per mantenersi vive, devono continuamente processare
l'energia che viene dal sole per rimanere in una situazione di non
equilibrio termodinamico caratterizzato da strutture altamente ordinate
tenute insieme da deboli legami chimici.
il bilancio soprattutto in certe ere geologiche è rimasto
a favore della produzione fotosintetica
questo spiegherebbe l’elevata concentrazione di
ossigeno sul pianeta
l’eccesso della produzione fotosintetica a partire dal
Cambriano (1.600.000.000 anni fa) è stata trasformata
in depositi fossili senza essere respirata o decomposta
l’uomo sbilancia i processi respiratori di GAIA
attraverso l’uso dei combustibili fossili
Fotosintesi
CO2 + 2H2O (CH2O) + H2O + 02
FOTONI
Processo ANABOLICO più diffuso sulla terra
Organismi fotosintetici
BATTERI
LICHENI
MUSCHI
PIANTE SUPERIORI:
TIPO C3
TIPO C4
TIPO CAM
CORALLI COSTRUTTORI (simbiosi alga-celenterato)
ALGHE UNICELLULARI
ALGHE PLURICELLULARI
PIANTE SUPERIORI:
TIPO C3
TIPO C4
TIPO CAM
BATTERI
CYANOBACTERIA
Comprende organismi procarioti (batteri) fotosintetici con clorofilla a.
Anabaena lemmermannii (L. di Garda). 200X
Microcystis aeruginosa (L. di Garda). 100X
ALGHE UNICELLULARI
CORALLI COSTRUTTORI
(simbiosi alga-celenterato)
LICHENI
BRIOFITE
PIANTE SUPERIORI:
TIPO C3
TIPO C4
TIPO CAM
I primi organismi apparsi sulla terra erano
probabilmente fotosintetici;
quasi 3,5 miliardi di anni fa inizia la rimozione del
carbonio dall’atmosfera.
Ciò determina :
l’iniezione dell’ossigeno e la creazione di un pianeta
ossidato
La protezione dell’ambiente terrestre con la fascia di
ozono
La stabilizzazione della temperatura attraverso i gas
serra
Il processo di trasformazione dell’atmosfera
probabilmente è durato fino a 300-400 milioni di anni fa
C3
MASSIMO TASSO FOTOSINTETICO PER UNITA’ DI
SUPERFICIE;
MASSIMA EFFICIENZA IN CONDIZIONE DI LUCE E TEMP
MODERATE;
400-1000 g DI ACQUA PER PRODURRE 1 g DI MATERIA
SECCA.
C4
ADATTATE AD ELEVATE INTENSITA’ DI LUCE E DI
TEMPERATURA;
<400 g DI ACQUA PER 1 g DI MATERIA SECCA.
CAM ADATTATE AI CLIMI ARIDI (RISERVE DI ACQUA E ACIDO
CRASSULCEO);
METABOLISMO INTERMITTENTE;
FIORITURA RAPIDA.
Ciclo di
Calvin -Benson
piruvato
CO2
PGA glucosio
RuPB-carbossilasi
Acido malico+ aspartico (3 carboni)
Acido ossalacetico (4 carboni)
PEP-carbossilasi
CO2
Cellule con
cloroplasti
distribuiti intorno ai
fasci vascolari
Spazi vuoti e
mesofillo
epidermide
Fotosintesi
convenzionale
di tipo C3
Sistema di
assorbimento della
CO2
Arrangiamento comune delle foglie C3
Arrangiamento delle foglie C4
Arrangiamento di Kranz
Piante C4
Piante C3
50 % 1 % 100 %
Intensità luminosa
Temperatura (gradi °C )
0° 40° 20°
Confronto della risposta fotosintetica di piante C3 e C4
all’incremento dell’intensità di luce e temperatura
Tasso di efficienza fotosintetica
40 x 10 30 20 10 0
250
200
150
100
50
10 20 30 x 104
5
10
15
20
0
25
Intensità luce incidente (erg/sec/cm2,400-700m)
sole
Diffusione della luce attraverso gli
strati fogliari
Un albero è una struttura di foglie sovrapposte in
strati discontinui attraverso i quali la luce fluisce
per aumentare la fotosintesi.
La massima area fogliare è esposta a basse
intensità di luce dove la fotosintesi è più efficiente.
alberi esposti in piena luce dovrebbero avere
foglie piccole e disposte in strati e non generare
ombra totale al di sotto della chioma; la superficie
fogliare sarà più ampia della superficie occupata
dalla chioma.
pianta adattata all’ombra dovrebbero avere
foglie larghe e disposte in strati singoli con ombra
totale al di sotto di queste; la superficie fogliare
sarà simile a quella della chioma.
nelle specie erbacee le foglie inclinate
favoriscono l’esposizione ortogonale alla luce di
bassa intensità e la riflessione della luce a forte
intensità.
I progetti di strutture fogliari sono sempre
finalizzati almeno verso tre adattamenti:
Intensità moderate di luce
Massimo assorbimento della CO2
Dissipazione del calore
Struttura monostrato Struttura multistrato
Diversi tipi di
sistemi fogliari
Alternative alla fotosintesi
• Chemiosintesi
• Processi di recupero energetico derivanti dalla
rottura di legami chimici
Vulcano di Bransfield (Antartide)
http://it.wikipedia.org/wiki/Fumarola_nera
Ecosistemi della fumarole sottomarine “black smokers”
CONCETTO DI PRODUTTIVITA’
• Produttività primaria = velocità con la quale l’energia solare o chimica viene trasformata in sostanza organica dagli organismi produttori
• P lorda = fotosintesi + respirazione
• P netta = materia organica prodotta al netto della respirazione
• Produzione netta della comunità
• Produttività secondaria
Produttività sulle terre emerse
Produttività primaria negli oceani
Biomassa zooplanctonica
Biomassa benctonica
Il sistema batipelagico
Penetrazione dello spettro in ambiente pelagico e costiero
Biomassa
marina
3.9 t x109
Biomassa
terrestre
1837 t x109
115 t x109 55 t x109
L’ecosistema marino produce circa la metà dell’ecosistema
terestre pur avendo una biomassa quasi 500 volte più piccola
Respirazione (catabolismo) Qualunque ossidazione biologica che produce energia
RESPIRAZIONE AEROBICA L’ossigeno gassoso è accettore di
elettroni(ossidante)
•Inverso della fotosintesi
•La sostanza organica ritorna CO2, H20, con cessione di energia ed
emissione di prodotti metabolici che possono essere ancora fonte di
energia
RESPIRAZIONE ANAEROBICA Una molecola organica è accettore
di elettroni
•Processi generalmente lenti
•Tendenzialmente hanno un basso consumo di energia e portano ad un
elevato accumulo di by-products (metano, idrogeno, solforato, etanolo) che
possono essere immediatamente utilizzati dagli aerobici
BATTERI, LIEVITI, MUFFE
PIANTE E ANIMALI
Catene (reti) alimentari e livelli trofici
Serie di trasferimenti di energia alimentare dagli
autotrofi ad una serie di organismi che consumano e
sono a loro volta consumati
Funzione Livello trofico Alimentazione
Produttori
Consumatori I
Consumatori II
Consumatori III
Consumatori IV
Primo
Secondo
Terzo
Quarto
Quinto
Vegetali
Erbivori
Carnivori
Carnivori
Carnivori
Catene alimentari di pascolo
Vegetali Erbivori Carnivori
Catene alimentari di detrito
Materia
organica
morta
Microrganismi,
detritivori Predatori
Catena
alimentare di
detrito
Luce
solare
Erbivori Predatori
Catena
alimentare di
pascolo
Predatori Consumatori
di detrito
Piante
Le catene alimentari di tipo diverso non
possono essere rigidamente separate e si
parla pertanto di:
RETI ALIMENTARI
Prima legge
L’energia né si crea né si distrugge,ma si trasforma
da una forma all’altra
Seconda legge
Nessun processo che coinvolge un trasferimento di
energia avverrà senza il degrado dell’energia da
una forma concentrata ad una forma dispersa
(entropia)
Nessuna trasformazione può avere
efficienza del 100%
Sole
Calore
C2 Autotrofi C1 C3
10.000.000
1.000.000 20.000 2000 200
Efficienza nelle trasformazioni
kcal/m2/anno
20
Ad ogni passaggio della rete trofica si ha una
perdita di energia potenziale
Più lunga è la catena (maggiore è il numero di
passaggi) maggiore sarà la perdita di energia
potenziale e minore la produttività netta della
comunità
Modelli pluricanalizzati delle catene alimentari
Pascolo:
Catena alimentare a granivori
Catena alimentare a polline
Catena alimentare a linfa
Catena alimentare a POM/DOM
Luce
solare
calore
Piante verdi erbivori
carnivori
R R R
P I
A
A P
I
NA NU
PN PG o A I e LA
3000 1500 15 1,5 0,3
LA L PN P2 P3
Kcal/mol/giorno
Materia organica
particolata
POM
Materia organica
disciolta
DOM
Sistema vascolare
Essudati
Estrazione attiva
Micorizze
Tessuti vivi
Semi
Tessuti morti
Fiori
PIANTE
Pascolo
diretto
Granivoro
Nettare
RETE ALIMENTARE DEL PASCOLO
batteri
protozoi muffe
micro funghi
anellidi
nematodi
Insetti
collemboli
Insetti
carabidi
Carnivori
terminali
macrofunghi
molluschi
miriapodi
Crostacei
isopodi
anfibi rettili uccelli mammiferi
radici
tuberi
Insetti
ditteri
ortotteri
foglie
nettare
linfa frutti
semi
imenotteri
coleotteri
odonati
Decomposizione
Risultante di processi abiotici
AZIONE EROSIVA DELL’ACQUA
VENTO
GELO-DISGELO
FUOCO
e biotici (preponderanti)
Azione concatenata
•Demolitori (parti consistenti di tessuto) •Trituratori (frazioni minori)
•Microsaprofagi (particelle o singole molecole)
PROTEINE
ZUCCHERI
LIPIDI
Aggregati di
HUMUS
SOSTANZE UMICHE
MINERALIZZAZIONE
Nutrienti
Sostanza organica
protozoa
anellidi
molluschi crostacei
chilopodi
platelminti
nematodi
funghi
actinomycetes
coleotteri
mites
collemboli
Insetti carabidi
pseudoscorpioni miriapodi
acari
ditteri
batteri
insetti
Organismi della
rete del detrito
carabidi
Dimostrazioni sperimentali dell’importanza dei
piccoli animali nella decomposizione (1)
0
20
30
40
50
10
10 20 30
solo
batteri
batteri
+
ciliati
giorni
Rilascio di fosforo radioattivo da detrito
palustre più rapido quando in laboratorio si
lasciano agire protozoi e batteri
Perdita in peso e nutrienti da parte della
lettiera di foresta contenuta in sacchetti di
nylon, la perdita è molto più lenta quando i
microartropodi sono uccisi con naftalina che
non influisce su batteri e funghi
0 10 20 30 40 50
50
20
10
100
peso
nutrienti
settimane
Senza
microartropodi
Decomposizione della lettiera di una foresta in funzione del
contenuto in lignina e delle condizioni climatiche
Ta
sso
an
nu
ale
di d
eco
mp
osiz
ion
e (
%)
0
20
40
60
80
25 50 Concentrazione di lignina (%)
AET = evapotraspirazione
100
70
75
95
90
85
80
5 10 15 20 25 30
PE
RC
EN
TO
DI M
AT
ER
IALE
OR
GA
NIC
O P
ER
SA
CC
HE
TT
O
GIORNI
La perdita di materiale organico subita da sacchetti di lettiera interrati in un
prato è fortemente rallentata quando microartropodi, nematodi o funghi
sono selettivamente rimossi
controllo
insetticida
funghicida
insetticida
funghicida
insetticida
nematocida
Dimostrazioni sperimentali dell’importanza dei
piccoli animali nella decomposizione (2)
Modello di acido umico
Modello di chelazione
Uno ione rameico (Cu) viene chelato con una
coppia di legami covalenti e ionici tra due
molecole di glicina
O
O
OH
CH2 O
CH2
OCH3
COOH
C
HC CH2
O
C6H12O5
H N
O
CH2 O
OH
CH2
OC NH C8H18O3N
CH
HC CH2
OH
N
O
CH2O
O
O
OH
1 1 1 1 1 1
2 2
3
4
4
1. anelli benzenici
2. azoto ciclico
3. catene laterali azotate
4. residui carboidrati
CH2
C
O
O
Cu C
O
O
CH2
NH2
NH2
Il suolo rappresenta la porzione dell’ecosistema terrestre
dove si relizzano i processi della decomposizione
A - orizzonti eluviali o
di lisciviazione
B – orizzonti illuviali o
di deposito
C – substrato pedogenico
minerale
DECOMPOSIZIONE IN AMBIENTE ACQUATICO
• il particolato organico che precipita verso il fondo viene in grandissima parte degradato nella colonna d'acqua medesima e anzi negli strati superficiali.
• La ragione di questo fatto è che la colonna d'acqua ospita importanti popolazioni di batteri che mineralizzano il particolato organico, rilasciando anidride carbonica e nutrienti.
• la produzione dei batteri nella colonna d'acqua è circa il doppio della produzione dello zooplankton e che circa il 40% della produzione primaria netta va a rimpiazzare biomassa che è consumata dai batteri.
• circa il 95% del carbonio presente nel particolato organico viene degradato entro una profondità di 3000 m e solo piccole quantità raggiungono il fondo degli oceani.
• Il processo di decomposizione continua comunque anche nel sedimento di mari e laghi, favorito dalla presenza di una fauna di fondo specializzata nell'utilizzo del detrito .
FUNZIONI CONTROLLATE DALLA DEGRADAZIONE
DELLA SOSTANZA ORGANICA
CICLIZZAZIONE DEI NUTRIENTI (mineralizzazione della sostanza organica)
CHELAZIONE E COMPLESSAZIONE DEGLI IONI METALLICI( produzione delle
sostanze umiche)
FONTE ENERGETICA DELLA CATENA ALIMENTARE DI DETRITO ( comunità
saprofaghe)
PRODUZIONE DI ORMONI AMBIENTALI INIBITORI-STIMOLATORI-REGOLATORI
(antibiotici, vitamine, amminoacidi, molecole complesse allelopatiche)
FORMAZIONE E MANTENIMENTO DEL SUBSTRATO VITALE (suolo e sedimento)
Struttura trofica e piramidi ecologiche
La struttura trofica è definita da interazioni tra catene
alimentari, metabolismo- dimensione degli individui,
perdite e trasferimenti di energia
La struttura trofica viene descritta dalle piramidi
ecologiche:
Piramidi di numeri
Piramidi di biomassa
Piramidi di energia
Le piramidi di energia consentono una
valutazione obiettiva in quanto vengono
eliminati i seguenti fattori di variabilità :
Cicli metabolici (stagionalità)
Velocità di produzione ( rapporto tra dimensione-
metabolismo
PIRAMIDI DI BIOMASSA grammi di peso secco per m2
Canale della
Manica
P 4
C1 21
P 96
C1 11
C2 4
Lago del Wisconsis
P 500
C1 1
C2 0.01
Campo abbandonato
della Georgia
P 40.000
C2 1
H 4 D 10
Foresta tropicale a Panama
P 703
C1 132
C2 11
Banco di coralli a Eniwetoc
PIRAMIDI DI NUMERI individui per 0.1 ettari
P 1.500.000
C1 200.000 C2 90.000
C3 1
Prateria (estate)
P 200
C1 150.000
C2 120.000
C3 2
Foresta temperata (estate)
P 809
C1 37
C2 11
C31.5
S 5
Biomassa Kcal/m2
P 20.810
C1 3368
C2 383
C3 21
S 5060
Flusso energetico Kcal/m2/ anno
CONFRONTO TRA PIRAMIDI DI BIOMASSA E DI FLUSSO
ENERGETICO A SILVER SPRING, FLORIDA
VARIAZIONI STAGIONALI NELLE PIRAMIDI DI BIOMASSA
NELLA COLONNA D’ACQUA (solo fitoplancton da retino) DI UN
LAGO ITALIANO mg peso secco per m3
Inverno
P 2
C1 10
C2 3 C2 6
C1 12
P 100
Primavera
Carnivori del
secondo livello
biomassa
fitoplancton
zooplancton
Carnivori del
primo livello
Carnivori del
terzo livello
Piramide invertita della
biomassa dello zooplancton
che si nutre del fitoplancton
numeri
produttori
erbivori
Carnivori del
primo livello
Carnivori del
secondo livello
30
1,3 x 106
1,5 x 105
7
Piramide di numeri invertita
nel querceto di Wytham,
presso Oxford, in Inghilterra.
Carnivori del
secondo livello
numeri
Erbivori
Carnivori del
primo livello
Carnivori del
terzo livello
Una tipica piramide di
numeri. I produttori sono
stati omessi (Elton, 1927)
Ipotetica piramide di numeri
invertita in cui i parassiti dei
carnivori sono più numerosi
dei carnivori
numeri
Erbivori
Carnivori del
primo livello
Parassiti dei carnivori del primo livello
FStruttura trofica di una comunità: a sinistra è rappresentato il sistema delle catene di
pascolo e a destra il sistema di detrito. Il significato dei simboli è il seguente: P = piante, H =
erbivori, C1 = carnivori primari, C2 = carnivori secondari, MOM = materia organica morta, D
= detritivori e decompositori, CD1 = carnivori primari della catena di detrito, CD2 = carnivori
secondari della catena di detrito, R = respirazione, M = biomassa morta ed escrezioni.