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ECOSISTEMI

Le popolazioni di una comunità interagiscono tra loro in misura notevole e interagiscono anche con l'ambiente abiotico. In tutti i casi, queste interazioni hanno due conseguenze: 1) un flusso unidirezionale di energia dagli autotrofi e 2) un ciclo di sostanze che passano dall'ambiente abiotico agli organismi viventi e poi di nuovo all'ambiente abiotico.

Una combinazione di componenti biotiche e abiotiche, attraverso cui fluisce l'energia e circolano le sostanze, è detta sistema ecologico, o ecosistema. Complessivamente, tutta la superficie della terra può essere vista come un unico grande ecosistema. Tale punto di vista globale può essere utile quando si studiano sostanze che circolano su scala mondiale, come il biossido di carbonio , l'ossigeno e l'acqua.

ENERGIA SOLARE

La vita sulla terra dipende dall'energia del Sole, che è anche responsabile del clima, dei venti e del tempo atmosferico. Ogni giorno l'energia solare arriva negli strati superiori dell'atmosfera terrestre al tasso medio di 1,94 calorie per centimetro quadrato al minuto, con un totale di circa 1,3 * 10 alla 24 calorie all'anno. Questa quantità è detta costante solare e, sebbene sia solo una piccolissima frazione dell'energia totale irradiata dal Sole, è una quantità di energia veramente enorme. A causa della presenza dell'atmosfera , però, solo una parte di questa energia raggiunge la superficie della terra e diventa disponibile per gli organismi viventi.

Dell'energia solare diretta verso la terra circa il 30% viene riflesso indietro nello spazio dalle nubi e dal pulviscolo atmosferico che si trovano molto vicini alla superficie della terra, nella troposfera. A causa di questa riflessione, la terra, se osservata dallo spazio, è un pianeta luminoso più brillante di Venere. Un altro 20% di energia viene assorbito dall'atmosfera.

Il rimanente 50% dell'energia solare raggiunge la superficie terrestre. Una piccola parte di questa energia viene riflessa dalle superfici chiare, ma la maggior parte è assorbita. L'energia assorbita dagli oceani scalda la superficie delle acque facendo evaporare le molecole e mettendo in moto il ciclo dell'acqua, mentre l'energia solare assorbita dal terreno viene nuovamente irradiata dalla superficie sotto forma di raggi infrarossi, cioè di calore.

CLIMA VENTO E CONDIZIONI ATMOSFERICHE

La quantità di energia ricevuta dalle varie parti della superficie terrestre non è uniforme. Questo è il fattore più importante che determina la distribuzione della vita sulla terra. In vicinanza dell'equatore i raggi solari sono quasi perpendicolari alla superficie terrestre e questa fasci pertanto riceve più energia per unità di superficie delle regioni poste a nord e a sud dell'equatore; le regioni polari sono quelle che ne ricevono di meno.

Le variazioni di temperatura sulla superficie terrestre e le forze generate dalla rotazione della terra determinano la circolazione dell'aria e le precipitazioni. L'andamento di questi fenomeni dipende in gran parte dal fatto che l'aria fredda è più densa dell'aria calda e, di conseguenza, l'aria calda sale e l'aria fredda scende. L'aria più fredda trattiene meno vapore acqueo e quindi le masse d'aria che si raffreddano tendono a perdere la loro umidità sotto forma di neve o di pioggia. A mano a mano che si raffredda, l'aria scende di nuovo verso la superficie terrestre in quanto la sua densità aumenta.

L'aria è più calda all'equatore, la regione scaldata più intensamente dal sole. La massa d'aria che si innalza dall'equatore determina una zona di bassa pressione che attira aria dal nord e dal sud dell'equatore. Nel salire la massa d'aria equatoriale si raffredda, perde gran parte del suo vapore acqueo, si sposta verso i poli e quindi scende a circa 30° di latitudine nord e sud, in corrispondenza delle regioni dove si trovano i più vasti deserti del mondo.

L'aria che sale nel fronte polare si raffredda, perde umidità e scende di nuovo in corrispondenza dei poli, regioni nelle quali, come in altre aree di zone discendenti, non vi sono praticamente precipitazioni. Il movimento di rotazione della terra fa deviare i venti che sono causati dal trasferimento di aria dall'equatore ai poli e viceversa, creando i principali tipi di venti.

IL FLUSSO DELL'ENERGIA

Il flusso dell'energia attraverso gli ecosistemi è il fattore più importante per la loro organizzazione. Dell'energia solare che raggiunge la superficie terrestre, soltanto una minima parte valutata su base mondiale circa lo 0,1%, è convogliata verso i sistemi viventi. Persino quando la luce cade dove la vegetazione è abbondante, come in una foresta, in un campo di grano o in una palude, di questa luce solo un percentuale compresa tra l'1 e il 3% viene utilizzata dalla fotosintesi. Ma questa frazione per quanto piccola sia può consentire una produzione annua, a partire dal biossido di carbonio, dall'acqua e da pochi minerali, di diversi migliaia di grammi di materiale organico per metro quadrato di terreno coltivato o di foresta raggiungendo un totale annuo di circa 120 miliardi di tonnellate di materiale organico calcolato su base mondiale.

LIVELLI TROFICI 

Il passaggio di energia da un organismo a un altro si attua lungo una particolare catena alimentare, cioè una sequenza di organismi in relazione tra loro come prede e predatori il primo è mangiato dal secondo il secondo dal terzo e così via in una serie di livelli di nutrizione, o livelli trofici. In molti ecosistemi le catene alimentari sono unite insieme in complesse reti alimentari che presentano molte ramificazioni e interconnessioni. Una rete alimentare può interessare più di cento specie differenti, in cui i predatori catturano in genere più di un tipo di preda e ogni tipo di preda è sfruttato da parecchie specie differenti di predatori.

Il primo livello trofico di una rete alimentare è sempre occupato da un produttore primario. Sulla terraferma il produttore primario è generalmente una pianta; negli ecosistemi acquatici è di solito un'alga.

Gli ecologi parlano di produttività di un livello trofico, di una comunità o di un ecosistema. La produttività lorda è una misura della velocità con cui l'energia è assimilata dagli organismi, pere esempio, in un particolare livello trofico, è può essere paragonata al tasso di rendita lordo di un'azienda.

Una quantità più utile e spesso più facilmente misurabile è la produttività netta. La produttività netta è la produttività lorda meno il dispendio energetico dovuto a tutte le attività metaboliche degli organismi in questione: questo dispendio può essere considerato l'equivalente dei costi sostenuti da un'azienda. La produttività netta è quindi paragonabile al tasso di profitto netto; generalmente viene espressa come la quantità di energia accumulata nei composti chimici o come l'aumento della biomassa in rapporto a un particolare periodo di tempo. Il termine biomassa esprime il peso secco totale di tutti gli organismi considerati in un qualsiasi periodo di tempo.

Se consideriamo il primo livello trofico, quello dei produttori primari, l'aumento della quantità di materiale di origine vegetale tra l'inizio è la fine di uno specifico periodo di tempo rappresenta la produzione netta primaria di quel periodo. Negli ecosistemi agricoli i raccolti ottenuti alla fine della stagione di crescita rappresentano la produzione netta primaria di quella stagione.

La produzione primaria varia moltissimo da un tipo di ecosistema a un altro. Negli ecosistemi terrestri i fattori chiave che influenzano la produttività sono la durata e l'intensità della luce del sole, la temperatura e le precipitazioni.

L'energia entra nel mondo animale attraverso l'attività degli erbivori, animali che si nutrono di piante o di alghe e sono perciò consumatori primari. Un erbivoro potrebbe essere un elefante, un riccio di mare, una chiocciola o un topo di campagna; ogni tipo di ecosistema ha la sua caratteristica dotazione di erbivori. Delle sostanze organiche assunte dagli erbivori, gran parte è eliminata senza essere digerita. La maggior parte dell'energia chimica liberata dal cibo digerito è utilizzata per attivare i processi metabolici dell'animale e per fargli compiere le sue più comuni attività: andare in cerca di cibo, mangiare e digerire, accopparsi e avere cura della prole, sfuggire ai predatori.

Una parte dell'energia chimica consumata dall'erbivoro è convertita, tuttavia, in una nuova biomassa animale. L'aumento della biomassa animale è la somma dell'aumento del peso dei singoli animali più il peso dei nuovi discendenti e rappresenta l'energia disponibile per il successivo livello trofico.

Questo livello successivo, il livello dei consumatori secondari, e costituito dai carnivori, ossia animali che mangiano altri animali. Il carnivoro che divora l'erbivoro potrebbe essere un leone, un pesciolino, una stella di mare, un pettirosso o un ragno. In ogni caso, soltanto una piccola parte delle sostanze organiche presenti nel corpo dell'erbivoro risulterà incorporata nel corpo del carnivoro.

I detritivori sono organismi che vivono dei prodotti di rifiuto di una comunità. Questi organismi comprendono i saprofagi, come gli avvoltoi, gli sciacalli, i granchi e i lombrichi, e i decompositori, come i funghi e i batteri.

I saprofagi possono essere considerati consumatori che preferiscono una preda morta a una viva; i decompositori sono anche essi consumatori, ma con una differenza: hanno sviluppato specializzazioni che consentono loro di sfruttare fonti di energia chimica, come la cellulosa e i prodotti di rifiuto azotati, che non possono essere utilizzate dagli animali.

L'energia accumulata nelle sostanze organiche rimane inutilizzata soltanto in casi particolari, quando è bloccata in un ambiente, come può essere una torbiera molto acida, in cui la maggior parte dei detritivori non può vivere.

EFFICIENZA DEL TRASFERIMENTO DI ENERGIA

Il fatto che le catene alimentari siano brevi è stato a lungo attribuito alla scarsa efficienza che si osserva nel trasferimento di energia da un livello trofico a un altro.

TRASFERIMENTO DI ENERGIA E STRUTTURA DELL'ECOSISTEMA

Le relazioni energetiche tra i livelli trofici determinano la struttura di un ecosistema in termini sia di numero di organismi sia di quantità di biomassa presente.

In un ecosistema in cui i produttori primari sono grossi un produttore primario può essere di nutrimento a molti erbivori.

La maggior parte delle piramidi della biomassa ha la forma di una piramide verticale, sia nel caso di produttori grossi sia in quello di produttori piccoli. Le piramidi delle biomasse sono capovolte soltanto quando i produttori hanno tassi riproduttivi molto elevati.

I CICLI BIOGEOCHIMICI

In un ecosistema l'energia fluisce in una sola direzione, numerose sostanze vengono invece riciclate; tra di esse ci sono: l'acqua, l'azoto, il carbonio, il fosforo, il potassio, lo zolfo, il magnesio, il calcio, il sodio, il cloro e anche numerosissimi altri minerali come il ferro e il cobalto, che sono necessari per i sistemi viventi anche in quantità molto ridotte.

I trasferimenti delle sostanze inorganiche sono detti cicli biogeochimici perché coinvolgono componenti geologiche e anche biologiche dell'ecosistema. Le componenti geologiche sono: 1) l'atmosfera, che è costituita principalmente da gas, tra cui quantità molto variabili di vapore acqueo, 2) la crosta solida della terra. 3) gli oceani, i laghi e i fiumi che ricoprono tre quarti della superficie della superficie terrestre.

Le componenti biologiche dei cicli biogeochimici includono i produttori, i consumatori e i detritivori. Come risulta dal lavoro metabolico dei compositori, le sostanze inorganiche provenienti dai composti inorganici ritornano al suolo o all'acqua; dal suolo o dall'acqua queste sostanze vengono assorbite dai tessuti dei produttori e sono trasferite ai consumatori e poi ai detritivori, grazie ai quali entrano di nuovo nei produttori e riprendono di nuovo il loro ciclo.

IL CICLO DELL'AZOTO

La principale riserva di azoto è l'atmosfera terrestre, ne costituisce circa il 77%. Poiché la maggior parte degli organismi viventi non può però utilizzare l'azoto atmosferico elementare per formare amminoacidi e altri composti contenenti azoto, questi organismi dipendono dall'azoto presente nei minerali del suolo. Pertanto, nonostante l'abbondanza di azoto nell'atmosfera, la sua scarsità nel suolo è spesso il principale fattore limitante per la crescita delle piante.

Il processo mediante il quale questa limitata quantità di azoto circola attraverso il mondo degli organismi viventi è detto ciclo dell'azoto. I tre stadi principali di questo ciclo sono: 1) l'ammonificazione, 2) la nitrificazione, 3) l'assimilazione.

Gran parte dell'azoto presente nel suolo deriva dalla decomposizione di sostanze organiche e si trova sotto forma di composti organici complessi, come proteine, amminoacidi, acidi nucleici e nucleotidi. Questi composti azotati vengono di solito demoliti rapidamente in composti semplici dagli organismi che vivono nel suolo, principalmente batteri e funghi. I microrganismi usano gli amminoacidi per fabbricare la proprie proteine e liberano l'azoto in eccesso sotto forma di ammoniaca o di ione ammonio. Questo processo è detto ammonificazione.

Parecchie specie di batteri del suolo sono in grado di ossidare l'ammoniaca o lo ione ammonio; questa ossidazione, detta nitrificazione, è un processo in cui viene liberata energia che è utilizzata da questi batteri come fonte primaria di energia.

I nitriti sono tossici per molte piante, ma raramente si accumulano.

Se bene le piante possono utilizzare direttamente lo ione ammonio, il nitrato è la forma in cui la maggior parte dell'azoto passa dal suolo alle radici; per tale motivo questi batteri hanno un ruolo fondamentale nel riciclaggio dell'azoto.

Una volta che i nitriti sono passati all'interno delle cellule vegetali sono ridotti di nuovo a ioni ammonio. Al contrario della nitrificazione, questo processo di assimilazione richiede energia. Gli ioni ammonio così formati sono trasferiti a composti contenenti carbonio per produrre amminoacidi e altri composti organici azotati necessari alla pianta.

Nonostante il ciclo dell'azoto appaia completo e autosufficiente in realtà i nitrati sono continuamente perduti dal suolo e quindi rimossi da ciclo.

I nitrati sono perduti anche in seguito alle attività di certi tipi di batteri che vivono nel terreno; in assenza di ossigeno, questi batteri scindono i nitrati liberando azoto che torna nell'atmosfera e utilizzando l'ossigeno per la propria respirazione. Questo processo detto, denitrificazione, ha luogo in suoli in cui il drenaggio è scarso e che quindi sono poco ariati.

Il ciclo no si esaurisce nonostante queste perdite soprattutto grazie all' attività dei batteri azoto-fissatori che incorporano direttamente l'azoto dell'aria nei composti organici.