Biosfera

Parte della terra in cui esiste la vita.

Caratteristiche peculiari:

- Regione in cui l'acqua in forma liquida può esistere in quantità notevoli;

- riceve un gran quantitativo di energia da fonti esterne, in particolare dal sole;

presenta interfacies tra stati liquido, solido e gassoso.

Funzioni fondamentali per definire un organismo vivente:

- Nutrizione, processo che comprende l'assunzione degli alimenti ed il loro uso per produrre energia per il corpo;

- accrescimento, aumento di dimensioni, cambiamento di forma, riparazione danneggiamenti (cicatrizzazione); reso possibile da divisione cellulare e differenziazione cellulare;

- riproduzione.

Altre caratteristiche:

respirazione, demolizione degli alimenti per liberare energia;

escrezione, eliminazione dei prodotti di scarto;

irritabilità, capacità di rispondere agli stimoli;

locomozione, capacità di autopropulsione.

Metabolismo - l'intera rete dei processi chimici dell'organismo vivente quindi biochimici.

Organismi viventi suddivisibili in :

autotrofi - capaci di ottenere la loro energia da una fonte puramente inorganica:

1 - fotosintetici - utilizzano l'energia del sole;
2 - chemiosintetici - utilizzano energia derivante da una reazione chimica;

capaci di usare materiale inorganico come unico tipo di alimento: H₂O, CO₂, sali minerali;
capaci di sintetizzare elaborati composti: proteine, carboidrati, lipidi, vitamine, ecc.

eterotrofi - necessitano tutti di approvvigionamento di energia, derivante da fonti organiche; utilizzano per lo più i carboidrati prodotti dagli autotrofi.

Comprendono: l'uomo e tutti gli animali, alcuni vegetali (funghi), la maggior parte dei batteri.

Glucosio - carboidrato più comunemente usato come fonte di energia, prodotto in abbondanza dagli autotrofi.

Batteri eterotrofi e funghi necessitano solo di una fonte di energia organica, gli animali esigono come alimento anche molti composti che essi non sono in grado di sintetizzare (aminoacidi, lipidi, vitamine) oltre a sali minerali ed H₂O.

Le sostanze necessarie per un vegetale sono relativamente abbondanti in natura e facilmente reperibili    non è necessario il movimento, bastano organi adatti all'assorbimento.

FUNZIONI DEGLI ELEMENTI ESSENZIALI

A - macroelementi

Più del 99% del peso secco di una pianta è costituito da 9 tipi di atomi (N, P, S, K, Ca, Mg, C, H, O); questo elenco corrisponde anche al fabbisogno animale, a parte per il Na.

Carbonio, ossigeno, idrogeno, azoto, fosforo e zolfo sono gli elementi costitutivi dei mattoni della materia vivente (aminoacidi, nucleotidi, zuccheri, acidi grassi) da cui derivano aggregati molecolari più complessi (proteine, acidi nucleici, lipidi, polisaccaridi).

C viene preso dall'aria come CO₂; H e O vengono presi dal terreno come H₂O; O viene preso anche dall'aria, ma serve per la respirazione, va a formare H₂O, non viene organicato; tutti gli altri elementi vengono assorbiti dal terreno come ioni inorganici liberi in soluzione, non come sali minerali.

Dagli elementi o dai composti che tendono ad acquistare o perdere elettroni in una soluzione acquosa, formando ioni, dipendono le proprietà elettrochimiche della materia vivente.

B - microelementi

- Altri elementi (Fe, Cu, Zn, B, Mn, Mo) sono necessari solo in tracce, ma sono altrettanto importanti per il funzionamento degli organismi come cofattori in sistemi enzimatici (Zn, Cu, Mo) o legati a proteine a funzione vitale (Fe nell'emoglobina, Mg nella clorofilla, I negli ormoni tiroidei, ecc.).

- La mancanza di un elemento da sintomi di carenza, talvolta specifici per l'elemento. La maggior parte riguarda:

a) lo sviluppo generale della pianta (nanismo, non arriva a maturazione);

b) ingiallimento delle foglie (clorosi);

c) degenerazione delle zone meristematiche.

STRUTTURA DEL TERRENO

- Componente inorganica, dovuta allo sbriciolamento delle rocce

- Componente organica, detriti vegetali e animali in tutti gli stadi di decomposizione, fino alla mineralizzazione (= decomposizione completa della materia organica, ad opera di batteri o altri microrganismi a dare CO₂, H₂O e sali minerali).

L'humus rappresenta uno stadio intermedio di decomposizione; non più del 5% del peso di un terreno, sostanza bruno nerastra, umida, responsabile dell' odore di "terra bagnata"; colloide, abbondante negli strati superficiali di terra, diminuisce in profondità.

- Gli spazi liberi sono riempiti da aria (i più grandi) e acqua (i più piccoli). Quella che non viene trattenuta per capillarità, scende verso la falda. Acqua può anche essere trattenuta da attrazioni elettrostatiche a formare un velo intorno alle particelle solide, altra è presente nei colloidi dell'humus.

Componente vivente, piante, animali, microrganismi di ogni dimensione. I più abbondanti sono batteri e funghi, molte alghe azzurre negli strati superficiali, alla luce. Animali: protozoi, artropodi, anellidi, nematodi.

In gran parte organismi decompositori, i detriti organici vengono sminuzzati meccanicamente, poi aggrediti chimicamente, fino a composti inorganici assorbibili dalle piante

Terreno = ecosistema completo con cui le piante stabiliscono numerosi rapporti.

Criterio di classificazione dei terreni, in base alla dimensione delle particelle che lo costituiscono:

sabbie da 2 mm a 20 mm

limi da 20 mm a 2 mm

argille < 2 mm

La capacità di trattenere l'acqua è minima per la sabbia e massima per l'argilla.

LA DINAMICA DELLE COMUNITA' E DEGLI ECOSISTEMI

ECOLOGIA - studio delle interazioni tra gli organismi e le relazioni tra questi e il loro ambiente:

perché un organismo può vivere in un ambiente e non in un altro,

quali cambiamenti possono verificarsi in un ambiente a causa delle interazioni tra organismi,

come funzionano gli ecosistemi (uso dei composti organici e ciclo degli elementi).

COMUNITA' - piante, animali ed altri organismi che vivono in una determinata area;

ECOSISTEMA - comprende sia la componente biotica che abiotica che interagiscono in un dato ambiente;

BIOMI - grossi raggruppamenti di comunità terrestri caratterizzati da un determinato tipo di vegetazione e di clima.

Tra gli organismi di una comunità, 3 principali tipi di interazione: mutualismo, competizione, interazioni vegetali-erbivori.

MUTUALISMO

Forma di interazione biologica da cui traggono vantaggio la crescita e la sopravvivenza delle specie implicate. Tipico esempio di simbiosi in cui nessuna delle due specie potrebbe sopravvivere senza l'altra. Es.:

licheni, simbiosi tra un fungo (ascomicete o basidiomicete) e un'alga verde o un cianobatterio;

simbiosi tra leguminose e batteri azoto-fissatori

interazioni tra funghi e piante vascolari (micorrize), fondamentali per lo sviluppo delle piante che formano col fungo un tutt'uno; endomicorrize o ectomicorrize, alcune altamente specie-specifiche (Boletus elegans-Larix), altre a spettro più ampio.

La complessità delle interazioni aumenta col numero delle specie presenti in un habitat (es. regioni tropicali).

Interazione tra alcune specie di Acacia e un genere di formiche (Pseudomirmex) che vive nelle spine della pianta, ottenendo cibo in cambio di "protezione".

Relazioni tra radici di alberi di una foresta o di erbacee di un prato (innesto radicale).

COMPETIZIONE

Nelle piante si manifesta prevalentemente come lotta per la luce. Le piante sciafile hanno sviluppato meccanismi che consentono loro di effettuare la fotosintesi a basse intensità luminose (diverse altezze della pianta, disposizione delle foglie, forma della chioma).

Interazioni non specie-specifiche, ma generali; più sensibili le plantule degli individui adulti.

Principio di esclusione competitiva: due specie non possono coesistere indefinitamente nello stesso habitat, utilizzando nello stesso modo le stesse risorse. Gli habitat però possono essere suddivisi e utilizzati in modi diversi. Es.: Sfagni (muschi) di una torbiera formano una coltre continua come genere, ma differenziata come specie, con esigenze diverse rispetto al fabbisogno idrico.

Se le specie in competizione sono poco rappresentate, possono convivere.

Uno o entrambi gli organismi che competono possono produrre sostanze chimiche che impediscono la crescita di individui della stessa specie, o di specie diverse (Penicillium chrysogenum vs. batteri, ma Bacillus cereus vs. Penicillium; Salvia leucophylla).

INTERAZIONI TRA ERBIVORI E PIANTE

Forma di parassitismo, può creare la distruzione di una specie; le piante hanno evoluto diversi tipi di difese contro gli erbivori.

Difese fisiche (spine, aculei, indurimento delle foglie);

difese chimiche (sostanze vegetali secondarie), sostanze tossiche o repellenti; trovate anche nelle alghe marine. Le acacie non abitate da formiche producono sostanze amare.

I parassiti possono elaborare difese: Pisum sativum produce pisatina contro i funghi, ma Fusarium produce un enzima che converte la pisatina.

Produzione di antibiotici naturali (fitoalexine) in risposta a danneggiamento delle foglie.

Produzione di tannini e composti fenolici in risposta a defoliazione, rendono indigeribile la seconda produzione fogliare.

In ontani e salici riscontrata produzione di sostanze volatili, in risposta a danneggiamento, capaci di immunizzare le piante vicine.

L'impollinazione è una forma di interazione positiva, può rientrare quindi nel mutualismo; necessità di attirare l'insetto.

Sostanze vegetali secondarie vengono usate in interazioni fra animali: sostanze tossiche accumulate da un insetto, allontanano il predatore; altre sostanze usate per attirare il partner.

CATENE ALIMENTARI

Catene di pascolo,

catene di detrito;

reti alimentari

LIVELLI TROFICI

Ogni ecosistema comprende oltre ai componenti abiotici, due componenti biotici: gli autotrofi e gli eterotrofi.  Nell'ambito degli eterotrofi, diversi livelli trofici:

consumatori primari,

consumatori secondari,

organismi decompositori.

In un ecosistema i diversi livelli costituiscono una catena alimentare; le relazioni tra gli organismi delle catene alimentari, regolano il flusso di energia attraverso l'ecosistema. Le catene alimentari possono essere più o meno lunghe o complesse fino a formare reti alimentari.

FLUSSO DELL' ENERGIA E DEI NUTRIENTI

CIRCOLAZIONE DEGLI ELEMENTI NUTRITIVI

Dal punto di vista della disponibilità di nutrienti, un ecosistema è autosufficiente per la continua circolazione degli elementi chimici tra organismi e ambiente (turn over degli elementi).

LA PRODUZIONE PRIMARIA

La quantità di energia solare convogliata nei sistemi viventi dai produttori primari è solo lo 0,1% di quella che investe la superficie terrestre.

Produzione annua mondiale di sostanza organica secca = 150-200 miliardi di tonnellate; 1/3 dall'ambiente acquatico, 2/3 dagli ambienti terrestri.

Produttività primaria = sostanza organica prodotta dagli organismi autotrofi fotosintetici; produttività secondaria = sostanza organica prodotta dagli altri livelli trofici

Produzione primaria lorda = valore di tutta l'energia fissata dai vegetali, compresa quella necessaria per la loro respirazione.

Produzione primaria netta = energia potenzialmente disponibile per i consumatori.

Alcuni dati di produzione primaria:

foresta a basso fusto: 1.200 g x m² x anno

colture agricole normali: 1.000-3.000 g x m² x anno

colture agricole redditizie (canna da zucchero, riso, mais, frumento): 6.000-10.000 g x m² x anno.

Le piante a massima efficienza produttiva, sono quelle che utilizzano nel modo migliore i 3 stati della materia (liquido, solido e gassoso).

Più di metà dell'energia fissata viene immediatamente usata dalle piante per la respirazione;

la parte che viene immagazzinata come sostanza di riserva può entrare nelle catene alimentari dei consumatori e dei decompositori.

La produzione primaria annua include sia il cibo per l'umanità sia l'energia che alimenta i sistemi della biosfera atti a mantenere la vita, in particolare i principali ecosistemi: foreste, praterie, oceani, paludi, fiumi, estuari, laghi, tundre, deserti.

Una catena alimentare abbreviata (mais        uomo) ha un rendimento maggiore rispetto ad una più complessa (mais bovino uomo).

La produzione primaria ha un rendimento differente a seconda del tipo di vegetale coltivato: 4.000 m² coltivati a mais nutrono per 1 giorno 1000 uomini, coltivati a patate nutrono 600 uomini, coltivati a fagioli nutrono 375 uomini.

L'energia alimentare umana deriva in quantità diverse da prodotti diversi: 50% dai cereali, 11% dai prodotti zootecnici (carne, uova, latte), 10% da patate e tuberi, 10% dai prodotti ortofrutticoli, 9% dai grassi animali e olii vegetali, 7% dallo zucchero, 1% dalla pesca.

L'EVOLUZIONE DELLE COMUNITA' E DEGLI ECOSISTEMI

La sequenza ordinata di cambiamenti che avvengono nella composizione di una comunità col passare del tempo, prende il nome di successione

Tutti gli ambienti, quando lasciati a loro stessi, sono soggetti a successioni ecologiche, più o meno rapide che tendono a raggiungere uno stadio di climax.

Il climax, diverso da un ambiente all'altro, rappresenta la massima complessità nelle interazioni tra gli organismi, ma anche la massima stabilità di rapporti e una quasi totale autosufficienza.

Successioni (esempi):

Uno stagno tende a diventare una foresta, con successioni di alghe, piante acquatiche, piante terrestri igrofile, ecc.

Le rocce nude vengono spaccate da agenti fisici, quindi colonizzate da licheni, muschi e piante sempre più evolute.

Dopo catastrofi naturali o "artificiali", un ambiente tende a ritornare allo stato iniziale; una foresta di latifoglie decidue, impiega 60-80 anni.

I BIOMI

Un bioma è costituito da una serie di ecosistemi terrestri, controllati dal clima, che presentano una vegetazione caratteristica e che scambiano tra loro acqua, nutrienti, aria e componenti biologici.

I biomi occupano vaste aree geografiche, su più continenti.

Qui classificati in base alla componente vegetale che li caratterizza.

La loro distribuzione dipende da:

circolazione dell'aria, direzione dei venti prevalenti, umidi;

quantità di energia solare e alternarsi delle stagioni;

fattori geologici, presenza di catene montuose, loro altezza e orientamento.

MODIFICAZIONI LOCALI DEL CLIMA

Sulla terraferma le piante e le comunità vegetali variano a seconda della località;

la temperatura media dell'aria diminuisce al crescere della latitudine;

la temperatura media annuale dell'emisfero settentrionale è più elevata di quella dell'emisfero meridionale;

spostandosi dall'Equatore verso Nord o verso Sud si trovano temperature sempre più basse, come salendo in montagna a elevate altitudini: ogni 100 metri di altitudine si ha un cambiamento di temperatura atmosferica media pari a 1° di latitudine;

piante e animali caratteristici delle regioni artiche possono arrivare all'Equatore in ambienti di elevata altitudine

Tra ambienti artici e ambienti alpini ci sono tuttavia differenze fondamentali in relazione alla massa di atmosfera sovrastante e alla quantità di vapore acqueo in essa contenuto:

in montagna, aria più limpida, radiazione più intensa, notti più fredde;

in prossimità dei poli, variazioni stagionali più pronunciate;

necessità di adattamenti fisiologici per organismi che si trasferissero da una situazione all'altra.

Vi sono anche differenze di temperatura tra i versanti di una stessa montagna, nell'emisfero boreale mediamente il versante più asciutto è quello sudoccidentale (i muschi e i licheni nei boschi crescono sulla parte dei tronchi esposta a nord).

FORESTA TROPICALE PLUVIALE

Acqua e temperatura mai limitanti, è il bioma più ricco di specie.

Vegetazione costituita da alberi sempreverdi con grandi foglie coriacee, abbondanti liane ed epifite, poco sviluppate le erbacee per la scarsa illuminazione al suolo.

Suoli acidi e molto poveri di nutrienti, perdono rapidamente la  loro fertilità dopo l'abbattimento della foresta.

SAVANA

Prateria alberata con latifogle decidue e sempreverdi isolati o in gruppi

Tropicale e subtropicale, caratterizzata da siccità stagionale.

Clima simile in foreste miste subtropicali, foreste monsoniche, foreste miste tropicali, boscaglie meridionali e cespuglieti.

Alberi e cespugli decidui, perdono le foglie nei periodi di siccità, corteccia spessa, ampie ramificazioni, fioritura quando gli alberi sono spogli. Comuni le erbacee perenni.

Localizzate anche tra le praterie e le foreste temperate decidue e prima della taiga.

DESERTI

Localizzati nelle zone di alta pressione atmosferica che fiancheggiano i tropici, si estendono verso i poli, all'interno dei grandi continenti.

Precipitazioni annuali molto scarse (< 2 cm), temperature molto elevate in estate, forti escursioni termiche nel corso della giornata.

Prevalenti le piante annuali; le poche erbacee perenni sono bulbose e dormienti per la maggior parte dell'anno;

le piante di grandi dimensioni sono succulente (Cactacee, Euforbie), con adattamenti morfo-fisiologici.

Radici molto estese per ottimizzare l'approvvigionamento di acqua.

PRATERIE

Localizzate tra le savane, i deserti e le foreste temperate.

Abbondanti precipitazioni annue (anche 100 cm), caratterizzate da inverni freddi.

Costituite esclusivamente da erbacee perenni, più o meno alte, gli alberi sono confinati lungo i corsi d'acqua.

Terreni estremamente fertili; tutte le aree coltivate con alta resa produttiva sono su terreni un tempo occupati da praterie.

Foresta temperata decidua

Pressoché assente nell'emisfero australe, molto rappresentata in quello boreale;

raggiunge il massimo sviluppo nelle zone con estati calde e inverni miti;

precipitazioni annuali tra i 75 e i 250 cm.

La maggior parte degli alberi perde le foglie durante gli inverni freddi e spesso nevosi, quando non c'è acqua disponibile per la crescita.

Grande varietà vegetale, molti generi comuni a tutti i continenti, con alternanza stagionale di sviluppo e fioritura.

Vegetazione mediterranea

Tipica delle regioni a clima mediterraneo, inverni umidi e freddi, estati calde e asciutte;

occupa zone delimitate e locali, ma evolutesi separatamente in modo simile in tutto il mondo per convergenza ecologica (Mediterraneo, California, costa del Cile, dell'Africa sudoccidentale, dell'Australia meridionale e sudoccidentale.

Alberi e arbusti sempreverdi o decidui in estate; periodi vegetativi brevi con crescite lussureggianti primaverili e dormienza estiva.

Crescita regolata da incendi spontanei.

Nomi locali per identificare lo stesso bioma: chaparral (California), macchia (Italia), maquis  (Francia), matorral (Cile), fynbos (Sudafrica).

Foresta mista temperata e di conifere

Al limite settentrionale delle foreste decidue;

in aree con inverni più freddi, zona di transizione verso la taiga.

Negli Stati Uniti sono famose le Sequoie giganti e gli Abeti Douglas, caratteristici di questa zona.

Taiga

Grande foresta settentrionale di conifere, fascia continua attraverso l'Eurasia e il Nordamerica e lungo le coste del Pacifico fino alla California settentrionale.

Inverni molto rigidi con coltre di neve persistente.

Poche specie di piante e animali, quasi ovunque costituita da sempreverdi (Abete rosso e Pino silvestre), salvo una parte della taiga siberiana a Larici (conifere decidue). Comuni le erbacee perenni, i muschi e i licheni. Torbiere (sfagni).

Fortissima escursione termica annua (tra -50°C e +35°C).

Assente nell'emisfero australe.

Basso tasso di umidità relativa per piogge estive e scarsa evaporazione invernale, terreni sempre umidi.

Terreni acidi, poveri di nutrienti, diventano più fertili a seguito di incendi.

Tundra artica

Zona priva di alberi, per lo più limitata al di sopra del Circolo Polare Artico, in una larga fascia intercontinentale, interrotta solo da estensioni di acqua.

Ricoperta da permafrost, terreno umido e bassa umidità relativa dell'aria.

Poche piante molto basse, suoli acidi e molto poveri di nutrienti.

Dove per almeno 1 mese all'anno la temperatura media sale sopra il punto di congelamento, presenza di cespugli nani (Betulla, Salice, Mirtillo), di un gran numero di piante erbacee perenni, ma tutti importati.

Le piante originali sono sempreverdi, pronte a riprendere l'attività appena possibile, con fiori relativamente grandi e vistosi e produzione di sostanze molto nutritive per gli impollinatori; propagazione per lo più vegetativa.

La maggior parte della biomassa vegetale è ipogea.