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.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/44/Seawifs_global_biosphere.jpg

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

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/44/Seawifs_global_biosphere.jpg

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

http://www.ecoo.it/foto/gas-serra-carne/2/

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.