L'ecologia

Materie:	Riassunto
Categoria:	Scienze
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ecologia

L'ecologia è lo studio scientifico del mutuo rapporto fra piante, animali e ambiente. Talvolta intesa nell'accezione errata di ambiente, in realtà l'ecologia è una branca della scienza i cui principi si sono rivelati utili per la conservazione della vita selvatica e delle foreste, per l'agricoltura e per la verifica e il controllo dei livelli di inquinamento.
La coniazione del termine ecologia (dal greco oikos, "casa" e logos, "discorso su") è generalmente attribuita a Ernst Haeckel, che lo usò per la prima volta nel 1869, ma le radici storiche dell'ecologia affondano nella storia naturale, nella fisiologia, nell'oceanografia e nella teoria dell'evoluzione. E' stata anche chiamata scienza della storia naturale (espressione creata da Charles Elton) per le sue origini e per i suoi stretti contatti con la matematica. L'ecologia viene variamente divisa in ecologia terrestre, ecologia delle acque dolci (limnologia) ed ecologia marina, oppure in ecologia delle popolazioni, ecologia delle comunità ed ecologia degli ecosistemi.
CLASSIFICAZIONE ECOLOGICA DEGLI ORGANISMI
Gli ecologi classificano comunemente gli organismi secondo la loro funzione nell'ambiente. Gli autotrofi (cioè "che si nutrono da sé", detti anche produttori), soprattutto le piante verdi, producono il loro nutrimento direttamente da biossido di carbonio, acqua, sali minerali e luce solare, mentre gli eterotrofi, che costituiscono un vasto assortimento di organismi, mancano dei meccanismi metabolici atti a sintetizzare il cibo e devono quindi assumerlo già pronto dall'esterno.
Alcuni eterotrofi, come gli erbivori, mangiano piante, mentre altri, carnivori o predatori, mangiano animali. Gli onnivori mangiano sia piante che animali, mentre altri si nutrono solo di piante e animali già morti. Altri ancora, detti spazzini, mangiano organismi in putrefazione. Alcuni piccoli eterotrofi, come i batteri e i funghi, si nutrono anch'essi di organismi morti e sono detti putrefattori o saprofiti. I parassiti mangiano organismi viventi, ma, a differenza dei predatori, non li divorano in una sola volta. I parassiti come le pulci e i pidocchi, vivono sopra i loro ospiti e altri, come i platelminti, i nematelminti e i batteri, vivono dentro i loro ospiti.
COMUNITA'
Gli organismi vivono insieme in associazioni chiamate comunità. Alcune comunità sono molto piccole, come ad esempio quelle composte di invertebrati e saprofiti che vivono in un ceppo in decomposizione. Altre possono essere vaste come un'intera foresta. Le comunità più estese, chiamate biomi, occupano vaste aree geografiche. I principali biomi sono la tundra artica, le foreste di conifere nordiche, la foresta decidua, le praterie, il deserto e la giungla e foresta pluviale. In alcuni casi anche il chaparral (foresta cespugliosa), le foreste pluviali di conifere e la macchia mediterranea sono considerate biomi.
L'aspetto distintivo di ciascun bioma è generalmente determinato dalla predominanza di specie vegetali caratteristiche, ma anche gli animali associati contribuiscono alla sua caratterizzazione.
Le comunità sono composte sia di piante che di animali. Ciascuna specie è distribuita secondo i suoi bisogni biologici, che possono essere favoriti da altre specie. Ad esempio, poiché gli alberelli dell'acero da sciroppo richiedono l'ombra, esso può maturare meglio nelle foreste dense; al contrario, i virgulti del pino bianco orientale richiedono la piena luce del sole per crescere vigorosamente. Così alcune specie si associano solitamente ad altre, ma l'esatto grado di interdipendenza è difficile da determinare e ciò ha portato a opinioni differenti per quanto riguarda il modo e la misura in cui le diverse comunità vadano considerate entità distinte. Gli elenchi di tutte le piante che si incontrano lungo una linea che attraversi comunità diverse distribuite su interi versanti montani hanno dimostrato che il modello di distribuzione di ciascuna specie è indipendente da quello della maggioranza delle altre, il che suggerisce l'esistenza di un continuum piuttosto che di poche comunità distinte.
Le comunità mostrano anche una stratificazione verticale. Nelle foreste pluviali tropicali, per esempio, gli alberi più alti, detti emergenti, crescono oltre la volta arborea; sotto la volta ci sono alberi più piccoli (alberetti); sotto gli alberetti crescono i cespugli; a coprire il suolo della foresta provvede un tappeto di piante erbacee (non legnose) distribuite sopra un letto di funghi e batteri. In ciascuno strato si ritrovano pure animali caratteristici, come i tucani della volta arborea, ma in generale gli animali si spostano fra strati diversi.
Un altro aspetto delle comunità è la struttura temporale. Alcuni animali sono diurni (cioè attivi durante il giorno), alcuni notturni (attivi di notte) ed altri, infine, sono crepuscolari (attivi solo nelle ore di luce scarsa). Ciò permette a più organismi di occupare la stessa area in momenti diversi, senza interferire gli uni con gli altri. Oltre a questo modello di attività giornaliera, ce ne possono essere altri stagionali. Nelle aree temperate, ad esempio, per riprodursi le rane di specie diverse usano gli stessi stagni in periodi diversi della primavera. Ciò abbassa il livello di competitività fra le specie per lo spazio e il cibo.
Il numero delle specie presenti in una comunità è chiamato varietà delle specie. La varietà delle specie è caratterizzata da ricchezza e uniformità. Ma tutte le specie non possono essere ugualmente rappresentate: se, come avviene comunemente, solo alcune sono abbondanti, la varietà è detta non uniforme. Se invece una comunità è formata da molte specie e ciascuna di esse è relativamente abbondante, la comunità è considerata relativamente stabile, poiché la riduzione o la rimozione di una qualunque specie sarà di gran lunga meno importante che la perdita di una specie abbondante in una comunità non uniforme.
Se una comunità disturbata da disastri come incendi, inondazioni, tempeste, eruzioni vulcaniche o interventi distruttivi viene lasciata indisturbata per un lungo periodo, essa sarà probabilmente in grado di ricostituirsi; ciò è chiamato processo di successione. Una foresta completamente distrutta dal fuoco può impiegare centinaia o migliaia di anni per rinnovarsi e ciò può dipendere dal clima, dalla natura del suolo e da altri fattori ambientali. Una foresta distrutta dal fuoco ad una latitudine relativamente alta può essere ricostituita in poche centinaia di anni, mentre una distrutta da un flusso di lava in Messico può non riformarsi in migliaia di anni. La successione avviene molto lentamente anche nel deserto o nella tundra, a causa delle condizioni climatiche e del suolo.
Le prime specie che invadono un'area distrutta sono chiamate pioniere. Queste specie opportuniste hanno generalmente un'alta capacità di dispersione e buone capacità riproduttive. Licheni, erbe ed altre specie non legnose sono i più comuni pionieri; ma ci sono anche alberi come il pioppo nero, l'olmo, il gattice e l'acero che producono in abbondanza semi a dispersione aerofila. La disponibilità di una fonte di semi o spore alla periferia dell'area devastata, come pure il fatto che l'area stessa sia adatta ad una certa specie, sono determinanti per la composizione specifica della prima comunità che viene a formarsi. Le specie invadenti cominciano a cambiare l'ambiente sia aumentando il contenuto in materiale organico del suolo, con le loro parti morte e le escrezioni, sia creando ombra e cambiando le condizioni di umidità. Alcune specie ospitano batteri azoto-fissatori che liberano composti azotati nel terreno e lo fertilizzano.
Nel corso della successione le condizioni sono rese generalmente più adatte a nuovi tipi di organismi che consumano meno energia per la riproduzione e più energia per il proprio mantenimento. Queste specie, che soppiantano gradualmente i pionieri, producono collettivamente una nuova comunità. Il processo di sostituzione delle specie può durare molto tempo e, benché i cambiamenti avvengano gradualmente, può produrre la coesistenza di molte comunità visibilmente diverse. E' possibile che si riesca a raggiungere un punto in cui i cambiamenti di ambiente e di specie siano minimi e la varietà delle specie alta; questo tipo relativamente stabile viene definito equilibrio della comunità (v. comunità ecologica, equilibrio della).
ECOSISTEMI
Molti ecologi studiano le comunità nel contesto di un ecosistema, il che vuol dire tenere conto delle interazioni con i cicli minerali, con i flussi di energia e con il controllo delle popolazioni. Lo studio degli ecosistemi facilita un approccio funzionale all'ecologia.
Uno degli scopi principali delle ricerche ecologiche è determinare come gli organismi raccolgono e riciclano i minerali in un ecosistema. Tutti i minerali usati dagli organismi sono importanti, ma alcuni, in particolare quelli ricchi di azoto e fosforo, sono consumati in grandi quantità o possono essere meno abbondanti di altri. Gli erbivori accelerano i cicli dei minerali mangiando parti di piante e poi espellendo alcuni di questi materiali; così i minerali contenuti nelle piante ritornano al suolo più velocemente di quanto sarebbe successo se le piante non fossero state mangiate. Gli animali spazzini sono di grande aiuto poiché distruggono grandi organismi morti più rapidamente di quanto farebbero batteri o funghi da soli (i quali d'altro canto distruggono il materiale fecale ed altra materia organica separandoli nei loro componenti minerali). I carnivori, nutrendosi degli erbivori, contribuiscono a riciclare i minerali che si trovano nel corpo degli erbivori. Le radici delle piante possono assorbire, per riutilizzarli, questi materiali o minerali resi disponibili da processi di alterazione superficiale. Alcuni minerali possono però sfuggire all'ecosistema e finire nell'oceano.
Un secondo aspetto degli ecosistemi è il flusso di energia. Nel 1920 Charles Elton stabilì che esiste una piramide di livelli trofici: la base della piramide è costituita dai produttori; a livello superiore si trova un piccolo numero di erbivori e sopra ancora un più piccolo numero di carnivori. Gli ecologi degli ecosistemi preferiscono esprimere queste relazioni con la quantità di energia che passa attraverso ogni livello trofico in un certo tempo. In ragione delle proprietà dell'energia, espresse nelle leggi di conservazione e dell'entropia, passa più energia attraverso i produttori in un dato periodo di tempo di quanta ne passi prima negli erbivori che mangeranno i produttori e poi nei predatori che mangeranno gli erbivori, e così via.
Negli ecosistemi tutta l'energia viene dal Sole. Una piccola parte (1 o 2%) è captata dalle piante e immagazzinata sotto forma di legami ricchi di energia nei composti del loro protoplasma. Solo dall'1 al 20% di questa energia passa negli erbivori ed una perdita di energia analoga avviene a ciascun livello trofico superiore. Questo fenomeno ha tre importanti effetti: limita il numero di possibili livelli trofici (non ce ne sono generalmente più di cinque); influenza la taglia degli organismi in ciascun successivo livello, cosicché i carnivori sono di solito più grandi di altre specie; limita in maniera assoluta la quantità di energia disponibile per gli organismi a ciascun livello.
Ad ogni livello trofico l'energia è persa per svariate ragioni: perché si produce calore quando i legami chimici sono convertiti in energia meccanica o di altro tipo; perché parte dell'energia è sfruttata per i processi metabolici (specialmente per la respirazione); perché gli organismi di un certo livello trofico non sono completamente utilizzati da quelli del successivo e più alto livello; perché infine il cibo che passa attraverso l'apparato digerente degli animali non viene digerito completamente. Per esempio, solo circa il 10% delle foglie degli alberi e una percentuale molto più bassa delle radici e dei fusti vengono mangiati dagli insetti. Una parte dell'energia che non passa attraverso gli erbivori o i carnivori può eventualmente passare attraverso gli spazzini o i putrefattori. Una parte di questa può in seguito essere assorbita dai predatori che si nutrono di queste forme e in seguito può tornare di nuovo nella piramide principale dell'energia. Gli afidi espellono una grande quantità del succo zuccherino che succhiano dalle nervature delle foglie, e che quindi compare come una pioggia di miele ai piedi degli alberi. Quando il glucosio è demolito nelle cellule, circa il 50% della sua energia è convertita in altri legami chimici, mentre il resto è perduto sotto forma di calore. La quantità di energia immagazzinata in una data unità di tempo dalle piante verdi, come risultato della fotosintesi, è detta produttività primaria. La quantità di energia immagazzinata dagli animali in una data unità di tempo è detta produttività secondaria. La percentuale di energia che passa da un livello trofico al successivo è detta efficienza ecologica.
Terza funzione ecologica importante è la regolazione della popolazione. Una delle funzioni degli erbivori è di controllare le popolazioni delle piante. La tignola, Cactoblastis cactorum, ad esempio, fu introdotta in Australia per controllare la incontenibile crescita della popolazione del fico d'India (Opuntia), precedentemente introdotto dalle Americhe. I predatori e i parassiti possono quindi servire per il controllo degli organismi di cui si nutrono. Gli insetti che predano altri invertebrati possono controllare la popolazione delle loro prede, che spesso non possono sfuggir loro o evitarli. E' questo il caso della coccinella, che può controllare flagelli come la tignola della farina.
Per animali più grandi, come volpi o conigli, la situazione è molto più complessa; il controllo dei conigli, ad esempio, può coinvolgere fattori indipendenti dalla densità di popolazione, come inverni inclementi e siccità, o fattori che invece dipendono dalla densità di popolazione, come predatori e parassiti. L'efficienza del controllo operato da fattori indipendenti dalla densità non muta col variare delle dimensioni della popolazione, come invece accade per i fattori che da queste dipendono.
EVOLUZIONE E ADATTAMENTO
La teoria darwiniana dell'evoluzione delle specie era essenzialmente ecologica; Darwin postulò che gli organismi che sopravvivono per riprodursi sono quelli meglio adattati al loro ambiente. Gli ecologi si occupano di come gli organismi si adattano al loro ambiente per sopravvivere. Le funzioni ecologiche di un organismo costituiscono quella che è detta la sua nicchia. Per esempio, un insetto può essere un predatore, ma non può catturare organismi molto più grandi o molto più piccoli di lui. Inoltre, i predatori diurni, di norma, non catturano organismi con abitudini notturne o che vivano in habitat non raggiungibili dal predatore.
Molti ecologi propongono un principio, detto di esclusione competitiva, secondo il quale ciascuna nicchia può essere occupata da una sola specie, poiché, se una data risorsa è limitata e due o più specie competono per impossessarsene, una delle specie sarà eliminata se non potrà evolvere per occupare una nicchia anche solo lievemente diversa.
TENDENZE MODERNE E SVILUPPI FUTURI
Una delle principali tendenze nell'ecologia è l'uso crescente di modelli matematici che spesso richiedono l'uso di calcolatori. Formule matematiche sono utilizzate per simulare le fluttuazioni delle popolazioni, i cicli minerali e i flussi di energia. I modelli possono essere usati per scoprire dove la nostra conoscenza è inadeguata, per avviare la formulazione di generalizzazioni e di principi ecologici e per aiutare a ipotizzare il destino degli ecosistemi in un determinato insieme di circostanze.
E' in espansione il campo dell'ecologia dei sistemi, che ricorre ad analisi teoriche e a metodi sperimentali per studiare la distruzione degli ecosistemi e la loro ricostituzione. L'ecologia dei sistemi richiede esperti in una vasta gamma di discipline: matematica, tecnologia dei calcolatori, fisiologia, microbiologia, biochimica, climatologia e tassonomia.
Gli ecologi sono sempre più impegnati a risolvere problemi causati dall'incremento della popolazione umana, dalla crescita dell'inquinamento, dall'aumento delle richieste di energia e dal sempre più alto ricorso alla distruzione degli ecosistemi per usi umani. L'ecologia potrà rivelarsi necessaria per contribuire a risolvere i problemi del nutrimento e della conservazione della popolazione umana mondiale, problemi che vanno dal controllo di tutti i tipi di piante spontanee e della vita selvatica, alla salvaguardia delle specie in via di estinzione.