Ecosistema: struttura e componenti
Un ecosistema è una parte di natura in cui gli esseri viventi e l'ambiente che li circonda lavorano insieme come un'unica unità. Può essere grande (una foresta, il mare) o piccolo (uno stagno, un acquario). Un campo coltivato o un acquario è un ecosistema artificiale.
Componenti
- Abiotici (non viventi): luce del sole, temperatura, acqua, suolo, aria, minerali.
- Biotici (viventi): produttori (piante verdi, fitoplancton), consumatori (erbivori e carnivori) e decompositori (batteri, funghi).
Struttura
La struttura dice quali specie sono presenti e come sono disposte. La composizione in specie è l'elenco delle specie. La stratificazione è la disposizione a strati verticali: in una foresta, alberi in alto, poi arbusti, poi erbe e prato. Ogni strato riceve una quantità diversa di luce.
Quattro funzioni
Ogni ecosistema svolge quattro compiti: produttività, decomposizione, flusso di energia e ciclo dei nutrienti.
Lo stagno: un esempio semplice
Abiotici: acqua, minerali disciolti, luce del sole. Produttori: fitoplancton, alghe, piante galleggianti e radicate. Consumatori: zooplancton, pesci piccoli, pesci grandi. Decompositori: batteri e funghi sul fondo.
Produttività: GPP e NPP
La produzione primaria è la quantità di biomassa (materia organica) prodotta dalle piante per area in un dato tempo. La velocità con cui viene prodotta è la produttività, scritta come g m⁻² yr⁻¹ o kcal m⁻² yr⁻¹.
- Produttività primaria lorda (GPP): velocità totale di produzione di materia organica con la fotosintesi.
- Respirazione (R): la parte della GPP usata dalle piante stesse.
- Produttività primaria netta (NPP): ciò che resta per animali e decompositori: NPP = GPP − R.
- Produttività secondaria: velocità con cui i consumatori costruiscono nuova materia organica.
La produttività dipende dalla specie vegetale, dalla luce, dalla temperatura, dall'acqua e dai nutrienti. Tutta la Terra produce circa 170 miliardi di tonnellate (peso secco) di materia organica all'anno. Gli oceani coprono circa il 70% della superficie ma ne danno solo circa 55 miliardi di tonnellate, perché l'acqua profonda riceve poca luce e pochi nutrienti.
Decomposizione: cinque fasi
I decompositori scompongono la materia morta complessa (detrito: foglie secche, corteccia, fiori, animali morti, escrementi) in sostanze semplici e inorganiche come CO₂, acqua e nutrienti.
- Frammentazione: i detritivori, come i lombrichi, riducono il detrito in pezzettini.
- Lisciviazione: i nutrienti solubili in acqua scendono nel suolo e si fermano come sali.
- Catabolismo: gli enzimi di batteri e funghi trasformano il detrito in sostanze inorganiche più semplici.
- Umificazione: si forma una sostanza scura e spugnosa chiamata humus. Resiste ai microbi, si decompone molto lentamente ed è una riserva di nutrienti.
- Mineralizzazione: l'humus viene scomposto lentamente dai microbi, che liberano nutrienti inorganici.
Che cosa controlla la velocità
È rapida quando il detrito è ricco di azoto e zuccheri e quando è caldo e umido. È lenta quando è ricco di lignina e chitina, e quando fa freddo, è secco o manca l'ossigeno (condizioni anaerobiche). La decomposizione ha bisogno di ossigeno.
Flusso di energia
Il Sole è l'unica fonte di energia per quasi tutti gli ecosistemi (le sorgenti idrotermali dei fondali oceanici sono un'eccezione). Meno del 50% della luce solare è radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) e le piante ne catturano solo circa il 2–10%. Questa piccola parte alimenta tutto il mondo vivente.
L'energia scorre in un solo verso: Sole → produttori → consumatori. Non viene mai riciclata. A ogni passaggio molta energia si perde come calore, come dice il secondo principio della termodinamica.
Catene alimentari e livelli trofici
- Catena del pascolo (GFC): parte dalle piante verdi: erba → capra → uomo.
- Catena del detrito (DFC): parte dalla materia morta: detrito → decompositori (funghi, batteri) → detritivori. In un ecosistema terrestre nella DFC scorre molta più energia che nella GFC.
- Le catene si uniscono a formare una rete alimentare.
- Livelli trofici: produttori (1°), erbivori / consumatori primari (2°), carnivori / consumatori secondari (3°), consumatori terziari (4°).
- Standing crop (biomassa presente): la massa di materia vivente di un livello trofico in un dato momento.
Legge del 10 per cento
Solo circa il 10% dell'energia di un livello passa al successivo (Lindeman). Quindi 10,000 J nelle piante → 1,000 J negli erbivori → 100 J → 10 J. Per questo le catene alimentari hanno raramente più di 4–5 livelli.
Piramidi ecologiche: numero, biomassa, energia
Disegna i produttori alla base e ogni livello trofico superiore sopra di essi. La piramide può mostrare il numero, la biomassa (peso secco) o l'energia.
- Piramide di numero: in una prateria è dritta (molte piante d'erba, meno cavallette, ancora meno rane). Un solo grande albero con tanti insetti e uccelli dà una forma invertita o a fuso.
- Piramide di biomassa: di solito è dritta sulla terraferma. Nel mare è invertita: la massa di fitoplancton presente in un dato momento è piccola perché cresce e viene mangiato molto in fretta, mentre la massa dei pesci è maggiore.
- Piramide dell'energia: sempre dritta, perché a ogni passaggio si perde energia e un livello non può mai avere più energia di quello che lo nutre.
Limiti delle piramidi
Non tengono conto del fatto che una stessa specie può trovarsi su due livelli insieme, presuppongono catene alimentari semplici (la natura ha reti) e lasciano fuori i saprofiti (decompositori), anche se sono fondamentali.
Che cosa chiede l'esame
Domande frequenti: definire GPP e NPP e scrivere NPP = GPP − R; elencare e spiegare le fasi della decomposizione con i fattori che la influenzano; spiegare perché la piramide dell'energia è sempre dritta; fare un esempio di piramide di numero o di biomassa invertita; calcolare l'energia a un livello superiore con la legge del 10%; confrontare la catena del pascolo e quella del detrito. I calcoli sono brevi e danno punti facili: scrivi sempre prima la formula.
Formule e definizioni chiave
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Esempi svolti
1. Un campo ha GPP = 20,000 kcal m⁻² yr⁻¹ e le piante usano 4,000 kcal m⁻² yr⁻¹ nella respirazione. Trova la NPP.
NPP = GPP − R = 20,000 − 4,000 = 16,000 kcal m⁻² yr⁻¹.
2. Un lago ha NPP = 6,000 e R = 2,000 kcal m⁻² yr⁻¹. Trova la GPP.
GPP = NPP + R = 6,000 + 2,000 = 8,000 kcal m⁻² yr⁻¹.
3. Le piante catturano 50,000 J. Con la legge del 10%, quanta energia arriva a un consumatore secondario?
Consumatore primario: 10% di 50,000 = 5,000 J. Consumatore secondario: 10% di 5,000 = 500 J.
4. Un serpente (consumatore terziario) riceve 25 J. Quanta energia c'era nei produttori?
Si procede a ritroso: × 10 a ogni passaggio. Secondario: 250 J, primario: 2,500 J, produttori: 25,000 J.
5. Una foresta riceve 1,000,000 J di PAR e la GPP ne immagazzina 20,000 J. Trova l'efficienza fotosintetica.
Efficienza = 20,000 ÷ 1,000,000 × 100 = 2%. Rientra nell'intervallo abituale del 2–10%.
6. Gli erbivori di un prato contengono 1,500 kJ e i carnivori che li mangiano ne contengono 120 kJ. Trova l'efficienza ecologica e confrontala con la legge del 10%.
Efficienza = 120 ÷ 1,500 × 100 = 8%. È un po' meno del 10%, ed è normale: il 10% è solo una media.
7. La GPP di una coltura è 30,000 kcal m⁻² yr⁻¹ e la respirazione è il 30% della GPP. Le mucche mangiano il 10% della NPP. Quanta energia assumono le mucche?
R = 0.3 × 30,000 = 9,000. NPP = 30,000 − 9,000 = 21,000. Mucche: 10% di 21,000 = 2,100 kcal m⁻² yr⁻¹.
8. Perché una catena alimentare ha raramente più di cinque livelli? Mostralo con i numeri partendo da 100,000 J.
100,000 → 10,000 → 1,000 → 100 → 10 → 1 J. Al sesto livello resta solo 1 J, troppo poco per mantenere una popolazione di animali.
9. Quale piramide è invertita in ciascun caso? (a) piramide di numero di un baniano con gli insetti, (b) piramide di biomassa nel mare, (c) piramide dell'energia in uno stagno.
(a) Invertita (un albero, molti insetti). (b) Invertita (piccola massa di fitoplancton, massa maggiore di pesci). (c) Mai invertita: la piramide dell'energia è sempre dritta.
Errori comuni
- Scrivere NPP = GPP + R. La respirazione è una perdita, quindi NPP = GPP − R.
- Dire che l'energia viene riciclata nell'ecosistema. I nutrienti ciclano; l'energia scorre in un solo verso ed esce come calore.
- Pensare che la piramide di biomassa sia sempre dritta. Nel mare è invertita.
- Confondere l'umificazione (si forma l'humus) con la mineralizzazione (l'humus si scompone e libera minerali).