1

ECOLOGIA

Etimologia della parola ecologiaIl termine “Ecologia” è la composizione di due vocaboli greci:

ΟικοσΟικοσΟικοσΟικοσ + λογοσλογοσλογοσλογοσ

Letteralmente significa discorso sulla casa, o studio sulla casa

Questa etimologia è quasi del tutto complementare ad un altro termine molto

diffuso:

ΟικοσΟικοσΟικοσΟικοσ + νοµοσνοµοσνοµοσνοµοσ

Economia

Gestione della casa

ΟικοσΟικοσΟικοσΟικοσ + λογοσλογοσλογοσλογοσ

Ecologia

Discorso sulla casa

Definizioni esistenti di ecologia

• Studio della struttura e del funzionamento degli ecosistemi (Odum, 1971).

• Studio delle interazioni tra gli organismi ed il loro ambiente (Bullini, Pignatti, Virzo de Santo, 1998).

• Studio scientifico delle interazioni che determinano la distribuzione e l’abbondanza degli organismi (Krebs, 1972).

L’ecologia all’interno delle altre discipline scientifiche

• “Se per ecologia si intende lo studio scientifico delle interazioni che determinano la distribuzione e l’abbondanza degli organismi bisognerebbe chiedersi che cosa non è ecologia.” (Krebs, 1972)

L’ecologia all’interno delle altre discipline scientifiche

• Di fatto l’ecologia richiede l’integrazione di diverse discipline

Ecologia

Scienze biologiche

Scienze della terra

Matematicae

statistica

Fisica

Economia

Sociologia

Agraria,scienze forestali

Medicina

2

Campi di indagine dell’ecologia

• Ecologia animale, vegetale, microbica e umana.• Autoecologia: studio delle relazioni tra un dato organismo (specie o popolazione) e i fattori abiotici in cui esso vive.

• Sinecologia: studio della maniera in cui organismi omo- ed etero specifici costituiscono popolazioni e comunità, di come queste si evolvano nel tempo e interagiscano con le componenti abiotiche dell’ambiente.

• Ecologia di popolazioni: studio dell’adattamento delle popolazioni all’ambiente.

Campi di indagine dell’ecologia

• Ecologia ecosistemica: studio del funzionamento dei sistemi ecologici (ecosistemi).

• Ecologia comportamentale (eco-etologia): studio del valore adattativo del comportamento.

• Ecologia di base, teorica e applicata.

Definizione di ambiente

• Il concetto di ambiente viene proposto per la prima volta con la parola tedesca Umwelt che deriva dalla fusione di um (attorno) e Welt(mondo): indica dunque il mondo attorno a un osservatore in posizione centrale.

Alcuni richiami propedeutici da non dimenticare

• Concetto di sistema• Energia e leggi della termodinamica• Principio delle proprietà emergenti• Equilibrio dei sistemi ecologici• Strutturazione gerarchica e (panarchica) dei sistemi ecologici• Diatriba tra riduzionismo ed olismo• Caos e complessità dei sistemi ecologici• Sorprese ambientali

Studi sistemici

• Lo studio dell’ecologia è uno studio sistemico.• Occorre quindi definire il concetto di sistema, specificare che cosa si intende per sistema ecologico e individuare la principali proprietà dei sistemi ecologici.

Definizione di sistema• Un sistema è costituito da un insieme di parti interagenti (Pignatti, Trezza, 2000)Ne consegue:• Un sistema può essere scomposto in più componenti (spesso a loro volta considerabili come sistemi o sottosistemi).• A livello del sistema vi sono proprietà nuove, non deducibili dai sottosistemi, derivanti dall’interazione delle parti. Non sono prevedibili in funzione delle proprietà delle singole parti.•Proprietà collettive o insiemistiche : sono deducibili dalla somma o composizione delle proprietà delle singole componenti del sistema. Sono prevedibili conoscendo le singole parti. Tendono a ridurre la loro variabilità con l’aumentare delle dimensioni del sistema

3

Organizzazione: sistemi e studi sistemici

• Lo studio dell’ecologia è uno studio sistemico.• Occorre quindi definire il concetto di sistema, specificare che cosa si intende per sistema biologico e individuare la principali proprietà dei sistemi biologici.

© Emilio Padoa-Schioppa

Elemento

ElementoElemento

SottosistemaElemento

Elemento

Elemento

Elemento

Sistema

Un sistema è costituito da un insieme di parti interagenti (Pignatti, Trezza, 2000)

Organizzazione: sistemi e studi sistemici

© Emilio Padoa-Schioppa

Elemento

ElementoElemento

SottosistemaElemento

Elemento

Elemento

Elemento

Sistema

Un sistema è costituito da un insieme di parti interagenti (Pignatti, Trezza, 2000)Ne consegue:

• Un sistema può essere scomposto in più componenti (spesso a loro volta considerabili come sistemi o sottosistemi).• A livello del sistema vi sono proprietà nuove, non deducibili dai sottosistemi, derivanti dall’interazione delle parti. Non sono prevedibili in funzione delle proprietà delle singole parti.

Organizzazione: sistemi e studi sistemici

• Scomposizione in sottosistemi

Elemento

ElementoElemento

SottosistemaElemento

Elemento

Elemento

Elemento

Sistema

© Emilio Padoa-Schioppa

Da Figura 37-4 Solomon, Berg, Martin

Sistema:Apparato muscolare

Da Figura 38-7 Solomon, Berg, Martin (modificata)

Sottosistema:Fascio di cellule muscolari

Sottosistema:Muscolo

Sottosistema:Fibra muscolare

Teoria dei sistemiI sistemi possono essere suddivisi in:• Sistemi isolati – senza scambi con

l’esterno• Sistemi chiusi – con scambi di energia

ma non di materia • Sistemi aperti – con scambi di energia e

di materia

MateriaEnergiaEntropia

MateriaEnergiaEntropia

Materia

EnergiaEntropia

Sistemi isolati

Sistemi isolati – senza scambi con l’esterno• I classici sistemi dei cicli termodinamici.

Sistemi chiusiSistemi chiusi – con scambi di energia ma non di

materia• L’esperimento BIOSPHERE II° della NASA (una

grande sfera di vetro, nella quale erano state inserite piante, animali, acque, atmosfera, in modo da riprodurre l’ambiente terrestre: una volta approntata l’unico scambio con l’esterno era di energia luminosa e termica).

N.B. I sistemi chiusi possono considerarsi un caso limite dei sistemi aperti

4

Sistemi aperti

Sistemi aperti – con scambi di energia e di materia

• Ogni sistema biologico: i.e. una pianta riceve energia solare (che convertirà in energia chimica tramite la fotosintesi) e materia (sostanze chimiche dal terreno)

Organizzazione sistemica della vita: lo spettro biologico

Figura 1-6 Solomon, Berg, Martin

E’ possibile suddividere i sistemi biologici ed ecologici seguendo l’approccio sistemico e realizzando una gerarchia

AtomiMolecoleMacromolecoleOrganelli cellulariCelluleTessutiOrganiOrganismiPopolazioniComunità/EcosistemiPaesaggiBiomi/EcoregioniBiosfera

Chimica

Biologia

Ecologia

© Emilio Padoa-Schioppa

Organizzazione sistemica della vita:

lo spettro biologicoQuali sistemi riguardano direttamente l’ecologia?:•Organismo/individuo • Popolazione • Comunità/Ecosistema • Paesaggi e Sistemi paesistici• Ecoregioni e biomi• Biosfera

Energia• Per Energia si intende la capacità di produrre lavoro o più propriamente la capacità di determinare specifici cambiamenti..

• Unità di misura dell’energia: 1 caloria = energia richiesta per riscaldare di 1 °C (da 14,5 a 15,5 °C) 1 grammo di acqua alla pressione di 1 atmosfera.

• Possono essere usate altre unità, analoghe alle calorie a meno di costanti. Come unità ufficiale oggi si preferisce usare il Joule - 1caloria= 4,18 joule

Energia• La vita è caratterizzata dal continuo cambiamento, quindi tutte le forme di vita necessitano di continuo apporto di energia.

• L’energia deve essere fornita da una sorgente esterna per garantire lo svolgimento dei processi metabolici.

• L’energia scorre in un’unica direzione attraverso i sistemi biologici: fluisce attraverso il sistema, può essere utilizzata per compiere un lavoro o viene immagazzinata nei legami chimici delle sostanze organiche e alla fine viene liberata e dissipata.

Termodinamica

• I° Principio: “non è possibile avere creazione o distruzione di materia ed energia, ma soltanto modificazioni, ovvero l’energia non può essere creata né distrutta”

• II° Principio “le modificazioni avvengono lungo la direzione che ha il gradiente dell’irreversibilità”

• Entropia: “E’ lo stato del sistema il cui valore aumenta quando il sistema si modifica spontaneamente. In un sistema isolato negli stadi iniziali e finali del sistema la quantitàdi energia resta invariata, ma nei secondi l’entropia è maggiore che nei primi.”

5

Termodinamica • Di fatto la prima legge afferma che l’energia si conserva: ossia in condizioni normali nulla si crea o si distrugge. L’energia può essere trasferita da un sistema all’altro, ma la quantità totale di energia rimane la stessa.

• La seconda legge afferma che ad ogni successivo trasferimento e trasformazione di energia in un sistema diminuisce l’energia disponibile per produrre lavoro. L’energia non è persa o distrutta ma degradata e dissipata da una forma di alta qualità ad una di bassa qualità. La seconda legge riconosce che tutti i sistemi tendono a muoversi da uno stato di ordine (energia ad alta qualità) ad uno di disordine (energia a bassa qualità).

Fotosintesi e Respirazione

Energia (luminosa)

6CO2+ 6H2O C6H12O6+6O2

Formazione di struttura “ordinata “ e “improbabile”

Produzione di energia più concentrata e più utilizzabile

Diminuzione dell’entropia

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O

Energia(termica)Formazione di struttura “disordinata “e “probabile”

Produzione di energia più dispersa e meno utilizzabile

Aumento dell’entropia

Complessità di un sistema

Un sistema si può definire complesso se:1. è costituito da un elevato numero di

componentisoglia numerica

2. la dominanza sulla gestione dei processi èsufficientemente ripartita tra le diverse componenti

soglia strutturale3. le diverse componenti interagiscono tra di loro

e sono legate da processi omeostatici o di feed- back

soglia funzionale4. in molti casi sono presenti tutte e tre le soglie

Sistemi complessi auto-organizzati

Dati precedenti, compresi il comportamento

e i suoi effetti

Identificazione di regolarità e compressione

Schema che compendia ed è in grado di fare predizioni

(una delle molte varianti in competizione fra loro)

Descrizione, predizione, comportamento (mondo reale)

Conseguenze (mondo reale)

Dati presenti Svolgimento

Effetto selettivo sulla vitalità di uno schema e sulla competizione tra schemi

Sistemi complessi auto-organizzati: lavare la biancheria in lavatrice

Dati precedenti:Conoscenza del funzionamento della lavatrice e delle

caratteristiche della biancheria che usate quotidianamente

Identificazione di regolarità separare i colori e i tessuti in bucati diversi

Schema: i Jeans chiari possono essere lavati assieme alle calze di spugna grige

Comportamento (lavate la maglia assieme alla biancheria )

Conseguenze(la vostra maglia si è ristretta del 50%)

Dati presenti:Nuova maglia di cotone indiano non trattato

Svolgimento

Effetto selettivo : in futuro laverete in acqua fredda il cotone non trattato

Stabilità nei sistemi meccanici

Feed-back

Ridondanza

Qualora vi sia una turbolenza l’aereo viene pilotato al di sopra della zona di turbolenza (se questo è possibile)

Aereo: l’obbiettivo principale di chi conduce un aereo di linea è quello di trasportare, in condizioni di sicurezza e relativo confort i passeggeri da un aeroporto all’altro. Per mantenere l’aereo in aria, anche in presenza di imprevisti (turbolenze e/o guasti) si possono utilizzare 2 meccanismi:

Qualora un componente dell’aereo si guasti (ad esempio un circuito elettrico che comanda i flap -appendici che servono ad aumentare la portanza del veivolo nelle fasi più lente del volo- dell’ala) ne subentra un altro (per certe componenti si arriva ad avere fino a 4 ridondanze

6

Stabilità nei sistemi ecologici

Feed-back

Ridondanza

In un bosco vi sono diversi organismi incaricati di produrre ossigeno: se anche un epidemia colpisse una specie di albero le altre potrebbero supplire e sostituire la specie colpita

Qualora vi sia un eccesso di predazione il numero di prede diminuirà drasticamente e successivamente diminuirà il numero di predatori

Stabilità nei sistemi ecologici

1

2

Feed-back Ridondanza

1b

1a

1c

Risposta effettiva

Tempo

Prestazione

Risposta senza controllo

Perturbazione Le tre componenti 1a, 1b, 1c,svolgono lo stesso ruolo nelsistema. Il danno ad una diesse non compromette ilfunzionamento complessivo (Es.: diverse specie diproduttori)

La componente 2 esercitaun controllo sulla componente 1 mantenendola condizione di stato stazionario(Es.: preda-predatore)

Resistenza e resilienza

• Resistenza: capacità del sistema di opporsi a cambiamenti.

• Omeostasi: permanenza del sistema in condizioni immutate.

• Resilienza: capacità del sistema di tornare alla condizione iniziale.

• Omeoresi: capacità del sistema di mantenere un flusso dinamico.

Resistenza e resilienza

Tempo

Fun

zion

e ec

olog

ica

Misura dellaresilienza

Mis

ura

della

resi

tenz

a

Perturbazione

Equilibrio ecologico

• Ogni equilibrio ecologico è necessariamente dinamico, essendo la risultante statistica di un’enorme numero di componenti che cambiano qualitativamente e quantitativamente nel tempo.

• Questa è una situazione del tutto diversa da quella dell’equilibrio chimico in cui, a P e T determinata, il prodotto delle concentrazioni dei prodotti diviso quello dei reagenti da un valore costante

Proprietà emergenti

Ad ogni livello di organizzazione della vita emergono proprietà che non sono definibili con la semplice somma (o la media) delle proprietà dei livelli inferiori.

7

Proprietà emergentiEsempio 1: le spugne (Parazoa - Porifera): animali privi di sistema nervoso, apparentemente un aggregato casuale di cellule. In realtà le forme di questi animali derivano da interazioni reciproche tra le singole cellule. E’ possibile distruggere la spugna, e separare e filtrare le singole cellule, poi mettendo le cellule in un bicchiere d’acqua e lasciandole interagire tra loro la spugna si riforma, esattamente come prima.Le singole cellule, che sembrano entità indipendenti quando sono disaggregate, da aggregate formano una colonia che noi chiamiamo spugna.

Proprietà emergentiAd ogni livello di organizzazione della vita

emergono proprietà che non sono definibili con la semplice somma delle proprietà dei livelli inferiori

Cellule epatiche

Fegato

Proprietà emergentiAd ogni livello di organizzazione della vita emergono proprietà che non sono definibili con la semplice

somma delle proprietà dei livelli inferiori

Risaia Marcita Pioppeto VillaggioMacchia boscata

Campo di mais

Fosso Stagno Filare

Paesaggio agricolo della Bassa

pianura

Proprietà emergenti

Il principio vale anche nelle società umane: in una cordata alpinistica i limiti della cordata coincidono con i limiti dell’elemento più debole (non sono la media della cordata). Nei sistemi umani il costo ecologico viene comunque determinato dall’elemento meno efficiente (e non dalla media degli elementi).

Ne consegue che spesso si sottovaluta la stupidità umana come grande agente motore degli eventi del mondo (n.b. leggere con attenzione il saggio di Cipolla sulla stupidità e applicare sempre la teoria del rasoio di Hanlon «Non attribuire a consapevole malvagità ciò che può essere adeguatamente spiegato come stupidità».

Riduzionismo ed olismo,•Approccio riduzionista: un sistema viene suddiviso in più sottosistemi, fino a scomporlo ai minimi termini; le proprietà che sono a questo punto osservabili vengono estese ai livelli superiori.

•Approccio olistico: un sistema viene studiato definendone le proprietà collettive, e solo in seguito ne vengono studiati i singoli componenti.

Approccio riduzionista

• Isola fenomeni particolari e cerca di descriverli selezionando un numero ridotto di “drivingforces” principaliVantaggi

• Ridotti dati di input• Maggiore possibilità di utilizzo a fini gestionali• Semplicità operativa e interpretativa (in teoria)Svantaggi

• Ridotto “realismo” ecologico

8

Approccio olista

• Tiene conto della complessità del sistema e cerca di descriverlo nella maggior parte possibile delle componentiVantaggi

• ¨ Elevato “realismo ecologico”Svantaggi

• Grande complessità operativa e interpretativa• Necessità di enorme quantità di dati di input• Necessità di descrivere fenomeni talvolta poco conosciuti

Approccio riduzionistico: “Come potrebbe un ingegnere marziano capire il funzionamento di un calcolatore terrestre se rifiutasse per principio di smontare i componenti elettronici di base che effettuano le operazioni dell’algebra proposizionale?” (J. Monod)

Riduzionismo ed olismo: necessità di integrazione

IN REALTÀ I DUE APPROCCI SONO INTEGRATI E COMPLEMENTARI:Attraverso uno sguardo olista è possibile comprendere il contesto del fenomeno studiato, e attraverso un’approccio riduzionista si conoscono i dettagli e i componenti del fenomeno in oggetto

Approccio gerarchico

LIVELLO INFERIORE(componenti e spiegazione)

LIVELLO DI INTERSESSE

LIVELLO SUPERIORE(condizioni e significato)

VELOCITA’

DIMENSIONI