i cicli della materia

 

I cicli della materia sono in larga misura interdipendenti.

L'interdipendenza_delle_sostanze_nutrienti risulta evidente se si considera il loro riciclo attraverso gli organismi: quando un erbivoro consuma una pianta o quando un carnivoro consuma un animale, l'erbivoro e il carnivoro ingeriscono non solo carbonio, ma anche azoto, fosforo, ossigeno, zolfo e tutti gli altri elementi presenti negli organismi.

I meccanismi di retroazione e di scambio mettono i cicli in condizione di autoequilibrio: le entrate e le uscite sono bilanciate nelle varie fasi ed ogni incremento dei movimenti in un certo percorso può essere compensato da opposte variazioni in altri percorsi.

Sostanze che sono essenziali per la vita quando si trovano nelle posizioni e nelle quantità giuste nei cicli naturali, diventano un problema quando le loro quantità aumentano eccessivamente o quando escono dalle loro normali vie di circolazione trovandosi nel posto sbagliato, causando cioè inquinamento.

Mentre l'energia entra a livello dei produttori e viene progressivamente degradata come calore a tutti i livelli trofici, cioè produttori, macroconsumatori e microconsumatori (energia libera e biosfera), la circolazione degli elementi segue un suo proprio andamento.

 

 


Interdipendenza delle sostanze nutrienti

016.bmp (113398 byte)

I produttori attingono dalla riserva inorganica e cedono materia ai macroconsumatori, ai microconsumatori ed alla riserva organica inerte.

I macroconsumatori attingono dai produttori e talvolta dai microconsumatori e cedono alla riserva organica inerte.

I microconsumatori attingono dalla riserva organica inerte restituendo nutrienti alla riserva inorganica dalla quale attingono i produttori.

In tal modo si realizza la chiusura dei cicli.

 

 

 

 

 

 


Meccanismi di controllo

L'eco-organizzazione si produce da sé, senza essere guidata da un programma, senza una memoria autonoma, senza essere organizzata e regolata da una apparato di controllo: nasce infatti dalle interazioni.

E', in ogni caso, una organizzazione che possiede una stabilità, rappresentata da uno stato_di_equilibrio_stazionario.

Anche se non ha, di per sé, un programma specifico ed un suo codice genetico, la sua complessità può funzionare perché prevede la presenza di organismi dotati di un programma genetico: in tal modo l'eco-macchina ha a disposizione innumerevoli memorie.

I meccanismi di controllo comprendono:

- le interazioni_della_biocenosi che appaiono di carattere complementare (associazioni, simbiosi) o concorrenziale (competizioni) o antagonista (parassitismo e predazione)

- le interazioni_con_l’ambiente_geofisico.

I due tipi di interazione concorrono a mantenere le dimensioni numeriche delle popolazioni.

Queste interazioni, con i flussi di energia ed i cicli della materia che ne sono coinvolti, mettono in connessione tutte le parti e pilotano e regolano il sistema come un tutto unico. Esistono anche altri meccanismi di controllo, interni e diffusi, nei vari livelli di organizzazione.

 

 

 

 


Stabilità

Quello della stabilità rappresenta un aspetto chiave nello studio della capacità degli ecosistemi di resistere a stress prodotti dall'attività umana.

Dal punto di vista ecologico si possono considerare due tipi di stabilità:

- stabilità di resistenza, che rappresenta la capacità di un ecosistema di resistere a perturbazioni e mantenere intatte la sua struttura e le sue funzioni;

- stabilità di resilienza, che rappresenta la capacità di recupero quando il sistema è modificato da una perturbazione.

 

 

 

 

 

 


Stato di equilibrio stazionario

In biologia il termine equilibrio è molto radicato nel linguaggio ecologico.

In un ecosistema vi è equilibrio se le masse, a breve o lungo periodo, sono, pur con delle fluttuazioni (per esempio, nei paesi temperati, secondo i cicli stagionali) in linea di massima costanti nei singoli comparti.

In altri termini l'eco-organizzazione recupera sotto forma di materie prime tutti i sottoprodotti (rifiuti respiratori e digestivi dei viventi) in una condizione di autosufficienza, in cui le uniche necessità sono l'energia solare ed i sali minerali provenienti dalla decomposizione delle rocce.

Per i sistemi ecologici si parla di stato di equilibrio stazionario o stato di stabilità dinamica.

Lo stato di equilibrio stazionario verso il quale tendono gli ecosistemi viene definito dagli ecologi "climax": esso può mantenersi indefinitamente, a parità di altre condizioni; se il climax viene distrutto da perturbazioni disorganizzatrici, subentra il fenomeno dell'evoluzione.

 

 

 


Interazioni della biocenosi

Una comunità comprende tutte le popolazioni e gli organismi che abitano ed interagiscono tra loro in uno stesso ambiente.

Le interazioni tra le popolazioni possono essere di vario tipo:

- neutralismo: le popolazioni non interagiscono tra loro;

- competizione (per interferenza indiretta): entrambe le popolazioni si inibiscono reciprocamente;

- competizione (per sfruttamento): ciascuna popolazione inibisce indirettamente l'altra a causa dello sfruttamento di risorse comuni;

- parassitismo e predazione: una popolazione influenza negativamente l'altra attaccandola direttamente;

- commensalismo: una popolazione è avvantaggiata mentre l'altra non è influenzata;

- protocooperazione: interazione favorevole ad entrambe le popolazioni ma non obbligatoria;

- mutualismo: interazione favorevole ad entrambe le popolazioni, obbligatoria.

 Per competizione_e_predazione possiamo approfondire un po' il concetto.

 

 

 

 

 


Competizione e predazione

La competizione tra organismi è tanto intensa quanto più essi sono simili, per esigenze o stili di vita.

Le interazioni competitive riguardano spazio, nutrienti, luce e prede.

La competizione può produrre una regolazione dell'equilibrio tra due popolazioni o una differenziazione delle loro attività giornaliere o stagionali; se invece una popolazione è decisamente più forte, può arrivare all'eliminazione dell'altra, o a costringerla ad usare un'altra zona o ad usare altro cibo.

La tendenza alla separazione ecologica, risultante dalla competizione di specie simili tra loro, è nota come principio di esclusione competitiva.

Nella predazione (individuata da una catena di predatori) ogni popolazione è collegata in serie con le altre popolazioni.

Perché i cicli degli elementi si chiudano, le sezioni del circuito devono essere opportunamente dimensionate: ciò avviene perché ogni popolazione si trova in rapporto di retroazione con le altre popolazioni del sistema.

 

 

 

 

 

 


Interazioni con l'ambiente geofisico

Nell'ambiente abiotico, una serie di fattori chimico-fisici, definiti fattori limitanti, rappresentano una importante espressione del controllo sulle dimensioni delle popolazioni.

Tra i più importanti fattori limitanti di tipo fisico sono:

- la temperatura,

- l'umidità,

- le precipitazioni;

tra quelli chimici:

- i gas atmosferici,

- i nutrienti inorganici, quali i nitrati e i fosfati.

 

 

 

 

 


Dimensioni numeriche

Una popolazione è costituita da individui della stessa specie che occupano una determinata area in un determinato tempo.

La dimensione numerica tende a rimanere costante negli anni.

Il mantenimento viene realizzato, non frenando la riproduzione, ma attraverso la resistenza ambientale, cioè con la morte per fame, per predazione, per malattia.

La riproduzione tenderebbe a determinare una crescita_esponenziale, la resistenza ambientale determina invece una crescita_logistica.

 

 

 

 

 

 


Crescita esponenziale

La dimensione numerica della popolazione è rappresentata dal numero di individui che la costituiscono (N).

Nuovi individui possono aggiungersi alla popolazione con la nascita e con l'immigrazione; altri possono lasciare la popolazione con la morte e l'emigrazione.

Se si trascurano immigrazioni ed emigrazioni, le variazioni dipendono dal rapporto fra tassi di natalità e di mortalità, che determinano il tasso di crescita.

Il tasso di crescita dipende dalle dimensioni della popolazione e dalla sua capacità di aumentare di numero (definita potenziale biotico r).

La formula che rappresenta la crescita esponenziale è l'equazione differenziale

dN/dt = rN

 

 

 

 

 


Crescita logistica

In effetti la popolazione, all'inizio, aumenta lentamente, poi più rapidamente, raggiungendo infine una condizione di equilibrio stabile.

Questo avviene a causa della resistenza ambientale alla crescita della popolazione, imposta dalle limitazioni di cibo, di spazio, della presenza di un alto numero di organismi.

Il livello superiore, oltre il quale non può verificarsi accrescimento, viene chiamato capacità biologica o massima capacità portante e viene indicato con la lettera K.

La crescita logistica, rappresentata da una curva sigmoide, viene descritta dall'equazione:

dN/dt = rN (K-N)/K

 

 

 

 

 


Grafico della crescita esponenziale

Nel grafico viene rappresentato l'andamento della crescita esponenziale della popolazione in funzione del tempo.

Il tasso di crescita dipende, in questa modellizzazione, solo dalle capacità di aumentare di numero, cioè dal potenziale biotico r e, ovviamente, dal numero di individui iniziale N.

Questo tipo di crescita è compatibile solo con un ambiente che non ponga limiti di spazio e di risorse alla crescita.

022.gif (55962 byte)

 

 

 

 

 

 


Grafico della crescita logistica

Nel grafico viene rappresentato l'andamento della crescita logistica della popolazione in funzione del tempo.

Il tasso di crescita è, inizialmente, di tipo esponenziale (tratto a); quando poi esso diventa incompatibile con l'ambiente, si ha una riduzione del tasso di crescita (tratto b) fino ad un limite indicato dalla semiretta bianca che rappresenta la capacità di sostentamento K, con oscillazioni attorno a questo valore dipendenti da vari fattori (tratto c).

Questo tipo di modello di crescita è molto vicino al reale. L'andamento dipende dal potenziale biotico r, dal numero di individui iniziale N, e dalla capacità di sostentamento K.

023.gif (47724 byte)

 

 

 

 

torna su