Embed Size (px)
Citation preview
Pierpaolo Cavallo 1
ECOSISTEMI E CATENE
ALIMENTARI
Prof. Pierpaolo Cavallo
10
/08
/20
09
Eco
sistem
i e catene alim
entari
1
CHE COSA È UN SISTEMA?
Definizioni:
�un insieme di elementi interagenti tra loro
(von Bertalanffy , 1959)
�un insieme che funziona come un tutto in
virtù dell’interdipendenza delle sue parti
(Rapaport, 1968)
�un insieme di oggetti congiuntamente ai
rapporti tra gli oggetti stessi e i loro
attributi (Gary et al. 1969)
10
/08
/20
09
2
Eco
sistem
i e catene alim
entari
TEORIA GENERALE DEI SISTEMI
È stata elaborata da Ludwig von Bertalanffy nel tentativo di elaborare un linguaggio comune a diverse discipline scientifiche.
L’approccio sistemico è un metodo di indagine della complessità organizzata, legato ai contributi provenienti da diverse discipline, quali la biologia, la teoria dell’informazione, la cibernetica.
Il fenomeno viene analizzato nella sua complessità focalizzandosi sulle interrelazioni tra le parti piuttosto che sul comportamento delle singole componenti.
10
/08
/20
09
3
Eco
sistem
i e catene alim
entari
Pierpaolo Cavallo 2
TIPI DI SISTEMI
Un sistema è detto:�aperto se tra esso e l’ambiente si verificano scambi di materia-energia o di informazione;
� chiuso qualora attraverso i suoi confini non avvenga alcuno scambio di materia-energia o di informazione.
Gli organismi viventi e gli ecosistemi sono, per definizione, sistemi APERTI.
10
/08
/20
09
4
Eco
sistem
i e catene alim
entari
SISTEMI VIVENTI = SISTEMI APERTI
I sistemi viventi sono per definizione sistemi aperti, capaci di autoadattamento ed autorganizzazione, perché scambiano con l’ambiente energia ed informazioni per produrre lavoro e mantenersi in vita!!!
Essi, attraverso processi di feedback positivi e negativi si adattano alle mutevoli condizioni ambientali e si mantengono in uno stato di organizzazione ed ordine (negentropia o entropia negativa).
10
/08
/20
09
5
Eco
sistem
i e catene alim
entari
ENTROPIA
L’entropia è la tendenza di un sistema complesso, lasciato a se stesso, ad evolvere dall’ ordine verso il disordine, ovvero dal possesso alla perdita di energia (attenzione: questa definizione non è scolastica, e viene data solo per cercare di rendere più comprensibile il concetto).
Questo “passaggio dall’ ordine al disordine” è un processo irreversibile, e di nozione comune: un fiammifero che brucia, una goccia di inchiostro che si diffonde in acqua, sono comunemente intese come processi irreversibili.
10
/08
/20
09
6
Eco
sistem
i e catene alim
entari
Pierpaolo Cavallo 3
ENTROPIA E SISTEMI
Nella teoria generale dei sistemi la differenza tra sistemi chiusi e aperti può essere spiegata con il concetto di entropia, intesa come perdita di energia, o energia che non può essere convertita in lavoro.
Mentre i sistemi chiusi vanno verso uno stato di entropia, quelli aperti, capaci di prendere energia dall’ambiente, possono fruire di entropia negativa, o negentropia.
L’entropia è lo stato di massimo disordine, di casualità a organizzazione zero. Quindi può essere considerata come lo stato opposto a quello proprio dell’organizzazione.
10
/08
/20
09
7
Eco
sistem
i e catene alim
entari
SISTEMI VIVENTI
Poiché i sistemi viventi sono sistemi aperti, i loro equilibri hanno carattere dinamico, e vengono perciò chiamati equilibri di flusso o stati stazionari.
Nei sistemi instabili, è sufficiente una lieve perturbazione per alterare lo stato di equilibrio, mentre nei sistemi stabili le perturbazioni vengono contrastate in modo da ristabilire lo stato precedente.
Questa capacità di mantenere uno stato stazionario prende il nome di omeostasi.
10
/08
/20
09
8
Eco
sistem
i e catene alim
entari
FEEDBACK
Per FEEDBACK intendiamo la capacità dei sistemi dinamici di tenere conto dei risultati del sistema per modificare le caratteristiche del sistema stesso.
Il feedback è positivo quando è di stimolo al cambiamento (crescita, evoluzione del sistema).
Il feedback è negativo quando tende al mantenimento della stabilità e dell’equilibrio del sistema (autoconservazione).
10
/08
/20
09
9
Eco
sistem
i e catene alim
entari
Pierpaolo Cavallo 4
SISTEMI: STRUTTURA E PROCESSI
La struttura è caratterizzata da un limite (frontiera rispetto all’ambiente esterno), dagli elementi o componenti, dai contenitori degli elementi, da una rete di comunicazione.
Nei sistemi complessi le singole parti del sistema possono essere a loro volta dei sistemi che svolgono una funzione in vista del raggiungimento dell’obiettivo del sistema cui appartengono (organizzazione del sistema per livelli). La struttura di un sistema in una dato momento rappresenta lo stato del sistema.
I processi sono tutti gli scambi di energia-materia o informazioni all’interno di un sistema.
10
/08
/20
09
10
Eco
sistem
i e catene alim
entari
ESEMPIO: STRUTTURA DI UN
SISTEMA
INFORMATICO
10
/08
/20
09
11
Eco
sistem
i e catene alim
entari
PROPRIETÀ DEI SISTEMI APERTI
Le proprietà di un sistema aperto sono tre:
1. Totalità;2. Retroazione;3. Equifinalità.
10
/08
/20
09
12
Eco
sistem
i e catene alim
entari
Pierpaolo Cavallo 5
TOTALITÀ
Questa proprietà implica che ogni parte del sistema sia in rapporto con il tutto: una modificazione del sistema influisce sulla parte, così come una modificazione della parte influisce sul tutto.
Il principio di totalità ha come corollario la non-sommatività: il risultato a livello di sistema dell’interazione delle parti non è semplicemente la somma del contributo parziale di ogni parte del sistema, ma è un qualcosa di più, qualcosa che implica l’emergenza di comportamenti a livello di sistema non predicibili dai comportamenti delle parti.
10
/08
/20
09
13
Eco
sistem
i e catene alim
entari
RETROAZIONE
La retroazione può essere positiva o negativa. La retroazione negativa caratterizza l’omeostasi (stato stazionario) e gioca un ruolo importante nel far raggiungere e mantenere la stabilità delle relazioni.
La retroazione positiva provoca la perdita di stabilità del sistema interpersonale che per ritrovare un equilibrio deve cambiare ovvero ricalibrare le relazioni secondo diverse modalità.
10
/08
/20
09
14
Eco
sistem
i e catene alim
entari
EQUIFINALITÀ
Gli stessi risultati possono essere ottenuti dallo stesso sistema con modalità diverse da caso a caso.
In un sistema circolare e autoregolantesi, ciò che si osserva allo stato attuale può essere il risultato di numerosi processi diversi, e provenire da condizioni iniziali differenti: i risultati a livello di sistema non sono predicibili conoscendo semplicemente le condizioni iniziali del sistema.
Ciò che si osserva ad un dato momento può essere il risultato di numerosi processi diversi, e provenire da condizioni iniziali differenti.
10
/08
/20
09
15
Eco
sistem
i e catene alim
entari
Pierpaolo Cavallo 6
ALCUNE DEFINIZIONI
SPECIE = individui interfertili e in grado di produrre prole fertile
POPOLAZIONE = gruppo di individui della stessa specie (es. mosche di un prato)
COMUNITA’ o BIOCENOSI = tutte le popolazioni che occupano una data area
ECOSISTEMA = comunità più ambiente fisico (es. prato con le comunità che lo abitano)
BIOMA = ampi biosistemi caratterizzati da un certo tipo di vegetazione.
BIOSFERA O ECOSFERA = il massimo sistema biologico, che include tutti gli organismi viventi sulla terra interagenti con l’ambiente fisico
10
/08
/20
09
16
Eco
sistem
i e catene alim
entari
SISTEMI ECOLOGICI: DEFINIZIONE
I SISTEMI ECOLOGICI o ECOSISTEMI sono unità funzionali che comprendono:
� la COMUNITÀ (BIOCENOSI), cioè tutti gli organismi che vivono in una data area;
� le componenti ambientali non viventi (ABIOTICHE).
Organismi e ambiente abiotico sono entrambi necessari per il funzionamento dei sistemi ecologici, e ognuno influenza le proprietà dell’altro.
10
/08
/20
09
17
Eco
sistem
i e catene alim
entari
COMPARTIMENTI DI UN ECOSISTEMA
10
/08
/20
09
18
Eco
sistem
i e catene alim
entari
Pierpaolo Cavallo 7
CARATTERISTICHE DEGLI ECOSISTEMI
Sono sistemi aperti, in equilibrio dinamico, con strutture e funzionamento caratteristici.
Tale funzionamento si basa su un flusso di energia e una circolazione di sostanze nutrienti tra comunità, in genere tipica di quel certo ecosistema, e porzione non vivente dell’ecosistema.
10
/08
/20
09
19
Eco
sistem
i e catene alim
entari
STRUTTURA TROFICA DEGLI ECOSISTEMI
E’ costituita da: �Componente abiotica, formata da sostanze inorganiche (anidride carbonica, ossigeno, acqua, nitrati, ecc.) e organiche (proteine, carboidrati, lipidi, sostanze dell’humus, ecc.)
�Produttori (autotrotrofi): piante verdi, batteri fotosintetici e chemiosintetici.
�Consumatori (eterotrofi): erbivori e altri fitofagi, predatori, parassiti.
�Decompositori (eterotrofi): vari gruppi di funghi e batteri.
10
/08
/20
09
20
Eco
sistem
i e catene alim
entari
CATENA ALIMENTARE
In un ecosistema l’energia, immagazzinata dai produttori sotto forma di energia chimica di legame, viene trasferita ai fitofagi, da essi passa ai predatori e da tutti e tre ai decompositori, che liberano nutrienti inorganici utilizzabili dai produttori.
Questa serie di trasferimenti di materia e di energia prende il nome di CATENA ALIMENTARE.
Ogni anello della catena alimentare costituisce un LIVELLO TROFICO.
10
/08
/20
09
21
Eco
sistem
i e catene alim
entari
Pierpaolo Cavallo 8
CATENA ALIMENTARE
10
/08
/20
09
22
Eco
sistem
i e catene alim
entari
SCHEMA DI MASSIMA DI UNA CATENA
ALIMENTARE1
0/0
8/2
00
9
23
Eco
sistem
i e catene alim
entari
Carbonio, azoto, sodio
Piante, alberi
Lumache, scoiattoli
Volpi, falchiB
atteri, miceti
CATENE ALIMENTARI TERRESTRI E ACQUATICHE
10
/08
/20
09
24
Eco
sistem
i e catene alim
entari
Pierpaolo Cavallo 9
CATENA ALIMENTARE E LIVELLI TROFICI
10
/08
/20
09
25
Eco
sistem
i e catene alim
entari
Livelli
trofici
TIPI DI CATENE ALIMENTARI
In ogni ecosistema sono presenti due differenti catene alimentari che differiscono in base alle rispettive sorgenti di energia. Esse sono:
� Catene del pascolo: dipendono direttamente dall’energia solare, hanno come primo anello le piante verdi, come secondo gli erbivori e gli altri fitofagi, come terzo i predatori di questi ultimi e come quarti i predatori di altri predatori.
� Catene del detrito: utilizzano l’energia da sostanze organiche morte; esse sono formate da organismi decompositori e da loro predatori.
10
/08
/20
09
26
Eco
sistem
i e catene alim
entari
CATENE ALIMENTARI DEL PASCOLO E DEL
DETRITO
10
/08
/20
09
27
Eco
sistem
i e catene alim
entari
Pierpaolo Cavallo 10
CONNESSIONI TRA CATENE: RETI TROFICHE
Le catene del pascolo e del detrito sono interconnesse.
L’energia passa sotto forma di detrito dalla prima alla seconda e ne rientra (in piccola parte) quando organismi della catena del detrito vengono predati da quella del pascolo.
Quindi, le varie catene di un ecosistema sono interconnesse e formano complesse reti trofiche o alimentari.
Le reti trofiche sono schemi complessi che rispondono ad una domanda molto semplice: chi mangia che cosa (e quanto)?
10
/08
/20
09
28
Eco
sistem
i e catene alim
entari
RETE TROFICA: UNA IDEA QUALITATIVA1
0/0
8/2
00
9
29
Eco
sistem
i e catene alim
entari
RETE TROFICA: UNO SCHEMA (FORESTA DI
WYTHAM WOODS – INGHILTERRA) 10
/08
/20
09
30
Eco
sistem
i e catene alim
entari
Pierpaolo Cavallo 11
METODI MATEMATICI DI STUDIO
10
/08
/20
09
31
Eco
sistem
i e catene alim
entari
La rete è un mezzo matematico molto potente (ecologia, idraulica, elettronica, neural networks, sociologia, epidemiologia, ...)
Rete trofica: come tutte le reti, può essere descritta da un grafo di nodi (comparti) e archi (flussi)e studiata tenendo conto dei nodi che la formano.
Ogni NODO rappresenta un gruppo di organismi omogenei secondo opportune caratteristiche (ad es. dieta, abitudini di caccia, etc.).
Ogni LEGAME rappresenta “chi mangia chi”.Più un nodo è in alto, più è un predatore di livello maggiore.
RETE TROFICA DEL NORD ADRIATICO, 1996-98
10
/08
/20
09
32
Eco
sistem
i e catene alim
entari
LIVELLI TROFICI ED ENERGIA
Tutti gli organismi hanno bisogno di energia per vivere.
Rispetto alla modalità usata per procurarsi l’energia classifichiamo tutti i viventi in due gruppi:
� AUTOTROFI� ETEROTROFI.
10
/08
/20
09
33
Eco
sistem
i e catene alim
entari
Pierpaolo Cavallo 12
ORGANISMI AUTOTROFI
Gli organismi AUTOTROFI o PRODUTTORI sono quegli organismi che sono in grado di trasformare l’energia luminosa proveniente dal sole in energia chimica (processi di fotosintesi) e di sintetizzare sostanze organiche complesse a partire da sostanze organiche semplici. Essi sono i FOTOAUTOTROFI.
Esistono anche taluni organismi capaci di trarre energia da reazioni chimiche basate solo sull’uso di molecole come il ferro o l’azoto: essi sono denominati CHEMIOAUTOTROFI.
10
/08
/20
09
34
Eco
sistem
i e catene alim
entari
ORGANISMI ETEROTROFI
Gli organismi ETEROTROFI o CONSUMATORI sono gli organismi che debbono procurarsi energia prelevando dall’ambiente il loro alimento e che sono in grado di utilizzare, trasformare e decomporre sostanze organiche complesse.
Essi si suddividono in:�BIOFAGI (che si nutrono di altri organismi viventi);
� SAPROFAGI (che si nutrono di sostanze organiche morte).
Essi si differenziano anche in base al tipo di nutrizione.
10
/08
/20
09
35
Eco
sistem
i e catene alim
entari
TIPI DI NUTRIZIONE ETEROTROFICA
� OLOZOICA: ci si alimenta di pezzi relativamente grandi di sostanza organica morta (es.: carnivori, erbivori, onnivori).
� PARASSITARIA: ci si alimenta di sostanza viva, spesso danneggiando l’ospite che la fornisce (es.: pulci, tenia).
� SAPROTROFICA: ci si alimenta di piccoli pezzi di sostanza morta (es.: batteri, mosche).
10
/08
/20
09
36
Eco
sistem
i e catene alim
entari
Pierpaolo Cavallo 13
TIPI DI ETEROTROFI
Consumatori di primo livello (erbivori): si nutrono di produttori (es.: chiocciola mangia trifoglio).
Consumatori di secondo livello: si nutrono di erbivori (es.: tordo mangia chiocciola).
Consumatori di terzo livello: si nutrono di consumatori del livello precedente (es.: sparviero mangia tordo).
10
/08
/20
09
37
Eco
sistem
i e catene alim
entari
LIVELLI DI ETEROTROFIA
Secondo questo modello, è teoricamente possibile che ogni consumatore di un certo livello sia preda di un consumatore di livello superiore.
In realtà è raro che una catena alimentare abbia più di cinque livelli, poiché più sale il livello del predatore più si riduce il numero di potenziali prede disponibili.
10
/08
/20
09
38
Eco
sistem
i e catene alim
entari
ORGANISMI DEGRADATORI
Sono eterotrofi specializzati: si nutrono di sostanze organiche di origine animale e vegetale provenienti da individui morti o dalle loro escrezioni.
Utilizzano l’energia del legame chimico presente nella sostanza organica morta per la costruzione di nuova materia vivente, restituendo contemporaneamente all’ambiente composti inorganici nuovamente utilizzabili da parte dei produttori.
10
/08
/20
09
39
Eco
sistem
i e catene alim
entari
Pierpaolo Cavallo 14
PIRAMIDE ECOLOGICA
Rappresentazione grafica della quantità di organismi che esistono ai vari livelli della catena alimentare all'interno di un ecosistema.
Essa ha di solito un andamento a piramide poichè, dai produttori ai consumatori secondari,ogni livello presenta meno organismi del precedente.
10
/08
/20
09
40
Eco
sistem
i e catene alim
entari
ASPETTO DELLA PIRAMIDE1
0/0
8/2
00
9
41
Eco
sistem
i e catene alim
entari
PIRAMIDE ED ENERGIA
Da un livello all’altro l’energia disponibile si riduce, poiché la quantità di cibo cala salendo ed il cibo è la fonte dell’energia per mezzo della quale ciascun individuo vive.
Ecco anche spiegato perché, oltre un certo livello di eterotrofia è impossibile andare: un predatore di decimo livello non troverebbe, in pratica, da mangiare!
10
/08
/20
09
42
Eco
sistem
i e catene alim
entari
Pierpaolo Cavallo 15
ASPETTO ENERGETICO DELLA PIRAMIDE
10
/08
/20
09
43
Eco
sistem
i e catene alim
entari
ENERGIA PER LIVELLO DELLA PIRAMIDE
Il tetto massimo di utilizzo ad ogni passaggio è del 10%.Cosa significa:
�100.000 fiori nutriranno �1000 cavallette che nutriranno �100 rane che nutriranno�10 bisce che nutriranno�1 falco
10
/08
/20
09
44
Eco
sistem
i e catene alim
entari
EQULIBRIO DI UN ECOSISTEMA
Un Ecosistema si dice in equilibrio quando il numero degli individui che formano le popolazioni rimane costante nel tempo.
Gli equilibri degli ecosistemi dipendono dalle caratteristiche fisiche e chimiche dell’ambiente:temperatura, quantità di acqua disponibile, caratteristiche del suolo, luce, ossigeno disciolto nell’acqua, etc.
Essi dipendono anche dai dannosi interventi dell’uomo, il solo essere vivente capace di sconvolgere questo equilibrio biologico.
10
/08
/20
09
45
Eco
sistem
i e catene alim
entari
