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“Il battito delle ali di una farfalla in Brasile genera un ciclone a New York” (Lorenz, 1963)

LA TEORIA DEL CAOSE LE SORPRESE AMBIENTALI

Dinamica a breve termine

Dinamica a lungo termine

N°di elementi coinvolti e

scala spazio-temporale

Sorpresa

Catastrofe

Prevedibile

Sorprese ambientali

Sorprese ambientali

Ci sono tre meccanismi che possono spiegare una

“sorpresa ambientale:

•Discontinuità

•Sinergismo

•Trend

Le sorprese ambientali si verificano quando:

•Un sinergismo produce una discontinuità

•Una discontinuità produce un sinergismo

•Feedback positivo che produce una discontinuità

•Effetto a cascata

Sorprese ambientali

•Discontinuità: improvviso cambiamento in un trend o in una situazione di stabilità. La velocità della perturbazione può sfuggire alla percezione umana, va rapportata alla scala temporale del processo coinvolto. Es.: sovrasfruttamentodelle risorse ittiche.

•Sinergismo: cambiamento dovuto all’interazione di alcuni fenomeni. L’effetto che ne deriva è molto più grande di quanto ci si aspetterebbe dalla somma di ogni singolo fenomeno. Es.: alluvione in Cina del fiume Yangtze.

•Trend: tendenza che sfugge alla percezione dell’osservatore. Es.: l’invasione di una specie alloctona.

Sorprese ambientali: discontinuità

• Discontinuità: improvviso cambiamento in un trend o in una situazione di stabilità. La velocità della perturbazione può sfuggire alla percezione umana, va rapportata alla scala temporale del processo coinvolto. Es.: sovra sfruttamento delle risorse ittiche.

Sorprese ambientali

Sinergismo: cambiamento dovuto all’interazione di alcuni fenomeni. L’effetto che ne deriva è molto più grande di quanto ci si aspetterebbe dalla somma di ogni singolo fenomeno. Es.: alluvione in Cina del fiume Yangtze.

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Sorprese ambientaliCome avvengono discontinutà e sinergismi

•Un sinergismo produce una discontinuità(laghi del Canada)

•Una discontinuità produce un sinergismo (pesticidi contro il moscerino della patata dolce in Sud America)

•Feedback positivo che produce una discontinuità(scioglimento della calotta artica)

•Effetto a cascata (pressione di pesca al largo dell’Alaska)

Sinergismo produce discontinuità

Laghi del Canada

In Canada Orientale una lieve siccità a lungo termine ha ridotto l’apporto di acqua ad alcuni laghi della regione. La debole corrente degli affluenti ha provocato anche una diminuzione dei detriti organici nei corpi lacuali, determinandone un aumento della trasparenza. La maggior limpidezza dell’acqua, concomitante con la distruzione dello strato di ozono, ha consolidato il potere di penetrazione della radiazione ultravioletta, al punto che se prima della perturbazione la radiazione UV si diffondeva solo per i primi 20-30 cm d’acqua ora scende a 1.50 m. Le piogge acide potrebbero enfatizzare il problema fino a 3 m. di profondità. Le radiazioni UV sono dannose per gli organismi acquatici.

Discontinuità produce sinergismo

Pesticidi in SudAmerica

L’uso di pesticidi contro il moscerino della patata fu responsabile di una enorme discontinuità: quando negli anni ‘80 si sviluppò un ceppo resistente ai pesticidi, vi fu un’esplosione demografica di questo dittero. In SudAmerica i ceppi resistenti diventarono portatori di varie malattie di origine virale delle piante, dando luogo a un sinergismo. La combinazione moscerino-virus costrinse all’abbandono oltre 1.000.000 di ettari di terre agricole

Feed-back positivo

Calotta artica

Il riscaldamento globale sembra far ritirare i banchi di ghiaccio, che oltre ad essere diminuiti del 5% in termine di superficie rispetto al 1996 hanno anche uno spessore minore. Il ghiaccio assorbe meno della metà della radiazione luminosa che lo investe, mentre l’oceano aperto assorbe circa il 90%. Così man mano che il ghiaccio diminuisce, gli oceani si scaldano più velocemente, accelerando l’ulteriore scioglimento dei ghiacci. Se la calotta ghiacciata continua a sciogliersi si profila una grave discontinuità: un Mare Artico privo di ghiaccio (almeno in larga parte) durante l’estate, con l’effetto di rendere più rapido ancore il riscaldamento degli oceani.

Effetto a cascata

Costa Alaska

Nelle acque al largo della costa dell’Alaska il declino della fauna ittica (ad esempio l’aringa) esercita una pressione sulle popolazioni dei predatori come il leone marino e la foca. Le orche, che normalmente predano leoni marini e foche, hanno dovuto ripiegare sulle lontre marine, portando al collasso le loro popolazioni. La decimazione delle lontre ha provocato l’esplosione delle popolazioni della loro preda preferita: i ricci di mare. Questi, a loro volta hanno demolito i substrati vegetali di cui si nutrono, mettendo a rischio un largo numero di specie di invertebrati, pesci, uccelli e mammiferi marini.

Discontinuità, effetto a cascata e sinergismo

Encefaliti umane in Malaysia

Tra il 1998 e il 1999 il virus Henipavirus ha causato in Malaysia la morte di circa 100 persone.

Dopo i grandi incendi che hanno bruciato le foreste dell’Indonesia tra il 1997 e il 1998 numerosi pipistrelli (volpi volanti del genere Pteropus) si sono spostate in Malesia, dove hanno trovato un ambiente forestale modificato dall’uomo: allevamenti zootecnici e coltivazioni arboree. In queste circostanze le deiezioni dei pipistrelli hanno trasmesso il virus agli animali domestici e poi all’uomo.

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Sorprese ambientali

•Trend: tendenza che sfugge alla percezione dell’osservatore. Es.: l’invasione di una specie alloctona.

Australia

19351970

19902006

Virus NIPAHPer quanto riguarda il virus Nipah (Nieremberg e Halweil, 2005) si

tratta di una malattia che può essere contratta dagli uomini e che rappresenta con efficacia una sorpresa ambientale emersa dalla sinergia tra discontinuità e trend.

La malattia è una sindrome di tipo influenzale, che si origina nei pipistrelli, viene poi trasmessa ai maiali e da loro all’uomo. La malattia è stata scoperta in un villaggio malese, in prossimità di una dei più grandi allevamenti di maiali del paese. Gli incendi del Borneodel 1997 hanno spinto le popolazioni di pipistrelli frugivori a spostersi verso la Malesia, dove però si stabilirono non nelle foreste pluviali, ma presso le porcilaie, che si stavano diffondendo sempre più nel paese.

I pipistrelli, portatori sani della malattia, hanno trasmesso il virus ai maiali poiché i frutti parzialmente consumati dai pipistrelli (e bagnati dalla saliva dei pipistrelli) cadevano nelle porcilaie e qui venivano mangiati dai maiali. Nei maiali questo virus provoca una affezione alle vie respiratorie e si trasmette con facilità all’uomo (nel 1998 sono state infettate 265 persone, 100 delle quali sonomorte). Il virus è tornato alla ribalta nel 2004 in Bangladesh, uccidendo il 74% delle persone colpite (ICDDRB, 2003)

Cicli adattativi nei sistemi naturali e in quelli socio-economici

• Osservando la dinamica di un sistema complesso (sia esso un sistema naturale -i.e. la dinamica di una foresta e di una popolazione di insetti fitofagi- o un sistema socio-economico -i.e.lo sviluppo di un’azienda telefonica-) si è spesso riscontrato un ciclo caratteristico, detto ciclo adattativo.

• Questi cicli si ripetono a scale diverse, in una strutturazione definita Panarchia (dalle parole greche Pan = Dio della natura; archos = comando) e secondo gli autori che l’hanno coniato (Gunderson & Holling, 2002) vuole essere un’antitesi al termine gerarchia (dove per gerarchia si intende, letteralmente, regole sacre –non l’approccio gerarchico appena illustrato-). In altre parole la teoria della Panarchiavuole essere un inquadramento delle leggi della natura.

Proprietà dei sistemi

• Il capitale potenziale (biomassa, energia, capitale economico) che è disponibile per cambiamenti futuri.

• La connettività del sistema, intesa come la possibilità di controllo interno del sistema sistesso, attraverso la presenza di variabili, di cicli di feed-back ecc.

• La capacità adattativa (ossia la resilienza).

Ciclo adattativo

• Il sistema alterna periodi lenti di accumulo a trasformazioni veloci e fasi di riorganizzazione.

• r – sfruttamento

• K – conservazione

• Ω – rilascio

• α – riorganizzazione

Cicli adattativi• 2 caratteristiche

• Capitale accumulato (biomassa, energia, capitale …)

• Grado di connessione

Ω rilascio

α riorganizzazione

r sfruttamento

K conservazione

Connessione

Cap

itale

accu

mul

ato

4

Aggiungiamo una terza dimensione: la resilienza

Ω

α

r

K

Connessione

Cap

itale

accu

mul

ato

Resilienza

Potenziale Connessione Resilenza

Riorganizzazione α

Alto Bassa Alta

Sfruttamento r

Basso Bassa Alta

Conservazione K

Alto Alta Bassa

Rilascio Ω

Basso Alta Bassa

Cicli adattativi: le società telefoniche

• Competizione aperta tra diversi gruppi, termina con il monopoliodella compagnia Bell Systems.

• La scadenza di alcuni brevetti (nel 1893 e nel 1894) porta a innovazioni tecnologiche e si interrompe il monopolio.

• La Bell Systems trova la tecnologia (1907) per riprendersi e ridiviene la società monopolista.

• Nel 1919 una nuova crisi determinata dalle leggi antitrust (e dalla ventilata nazionalizzazione della compagnia).

• La crisi viene risolta con un monopolio regolato (la società non èlibera di imporre i propri costi) che permane fino agli anni ’80.

• Nel 1982 una sentenza interrompe il monopolio della Bell, e sul mercato irrompe la AT&T, [che riesce a prosperare grazie alla correzione di alcuni squilibri del sistema pregresso].

• La Bell Systems si riorganizza per fronteggiare la nuova situazione

Cicli adattativi: foreste

• In una foresta viene accumulato lentamente capitale (nel senso di biomassa, nutrienti ecc.).

• Man mano che aumenta l’accumulo di biomassa diminuisce la capacità di ripresa dai disturbi (il sistema è meno resiliente): il potenziale è alto, ma viene sequestrato e controllato da un minor numero di specie e la rigidità del sistema diviene maggiore.

• A questo punto agenti di disturbo (vento, fuoco, parassiti, ecc.) possono portare ad una drastica diminuzione del capitale accumulato.

• A tale passaggio segue un periodo di riorganizzazione, nel qualemagari nuove specie possono colonizzare il territorio…

• e il ciclo può ricominciare

Foresta del Gariglione, Sila Piccola - Calabria Foresta del Gariglione, Sila Piccola - Calabria

5

Foresta del Gariglione, Sila Piccola - Calabria

Ω

α

r

K

Connessione

Cap

ital

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cum

ulat

o

Resilienza

Fine XIX° SecoloLa foresta viene descritta come foresta stramatura

1927Viene tagliata la foresta.80% della biomassa èperduta

1954La gestione della foresta viene condotta seguendo l’obbiettivo di una struttura uniforme

Inizio XVIII° SecoloUna foresta matura viene ritenuta troppo remota per poter essere sfruttata

Storia delle idee ecologiche: una storia complessa

White

STUDIOSI DELL’ANTICHITA’Aristotele, Teofrasto, Plinio il Vecchio

Linneo

von Humboldt

Liebig

APPROCCIO CHIMICO FISICO

APPROCCIO BOTANICO

APPROCCIO IDEALISTICO DELLA WILDERNESS

APPROCCIO ZOOLOGICO

APPROCCIOPOPOLAZIONISTA

Malthus

Darwin,Wallace

HaeckelWarming,Shimper

Cowles

Clements

LotkaVolterra

Thoreau

Muir

Leopold

Möbius

Gleason

Braun-Blanquet

Du Rietz

Elton

Forel

Shelford

Tansley

Odum Whittaker

Mac Arthur

Wilson

Hutchinson

Lindeman

Allen,Hoestkra

Margulis

Vernadskij

LovelockMay

Carson

EhrilchLester Browm

Soulé

NavehForman,Godron

Termodinamica

Genetica

Matematica del caos

Microbiologia

Fisicamatematica

Entomologia

Geografia

Ecologia alla fine del XX°secolo

1866

4 approcci diversi

• Botanico - geografico

• Zoologico - popolazionista

• Chimico - fisico

• Etico - filosofico

Botanico-geografico

• Le esplorazioni dei nuovi mondi portano alla scoperta di specie nuove, alla classificazione degli esseri viventi, alle prime domande sui fattori che determinano la distribuzione delle piante e degli animali sulla terra.

Zoologico – popolazionista

• Lo studio delle popolazioni animali (uomo compreso) e dei loro trend demografici comincia ad avere sempre più importanza.

Chimico – fisico

• L’importanza di ottimizzare le produzioni agricole spinge a studiare i meccanismi che regolano i cicli dei nutrienti delle piante

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Etico – filosofico

• Le repentine trasformazioni ambientali determinate dalla rivoluzione industriale in Europa e dalla “corsa verso la frontiera”negli Stati Uniti provocano una riflessione sul rapporto tra uomo e natura.

• Filosofi della wilderness:– Thoreau

– Muir

Storia delle idee ecologiche

White

STUDIOSI DELL’ANTICHITA’Aristotele, Teofrasto, Plinio il Vecchio

Linneo

von Humboldt

Liebig

APPROCCIO CHIMICO FISICO

APPROCCIO BOTANICO

APPROCCIO IDEALISTICO DELLA WILDERNESS

APPROCCIO ZOOLOGICO

APPROCCIO POPOLAZIONISTA

Malthus

Darwin,Wallace

Cowles

Clements

LotkaVolterra

Thoreau

Muir

Leopold

Möbius

Gleason

Braun-Blanquet

Du Rietz

Elton

Forel

Shelford

Tansley

Odum Whittaker

Mac Arthur

Wilson

Hutchinson

Lindeman

Allen,Hoestkra

Margulis

Vernadskij

LovelockMay

Carson

EhrilchLester Browm

Soulé

NavehForman,Godron

Termodinamica

Genetica

Matematica del caos

Microbiologia

Fisicamatematica

Entomologia

Geografia

Haeckel Warming,

Shimper

Haekel, 1866 - Warming, 1895 • Hoekel conia la parola ecologia.

• Warming scrive un’opera in cui identifica gli scopi dell’ecologia:

trovare quali specie sono associate in habitat similari;

delineare la fisionomia della vegetazione e del paesaggio;

comprendere come mai ogni specie possiede una forma e un habitat particolare;

individuare le motivazioni per cui le specie si raggruppano in comunità ben definite;

analizzare le esigenze delle piante e le modalitàdella loro esistenza nei confronti dell’ambiente.

XX° Secolo• 1900 - 1930 Il campo botanico è impegnato nello

studio delle comunità vegetali

• In Europa nascono le scuole di fitogeografia

• In America ci si appassiona agli studi sulla dinamica di vegetazione

• Intanto progredisce l’ecologia animale: vengono indicati i termini di catena alimentare, piramide trofica, nicchia.

• Negli anni ‘20 Lotka e Volterra, indipendentemente, presentano gli stessi modelli di competizione.

1935: Tansley e l’ecosistema

• Per superare le continue dispute tra le scuole di Clemets e Gleason, nel 1935 propone il termine di ecosistema, con cui indica un complesso formato dagli organismi e dai fattori fisici che interagiscono con gli organismi stessi.

Ecosistemi, energia e modelli

• Hutchinson e Lindeman

• Odum - Fu tra i più convinti assertori dello studio dei flussi energetici degli ecosistemi.

• Con le opere e i lavori dei fratelli Odum l’ecologia entra a pieno titolo tra le discipline da insegnare nelle facoltà di scienze.

• Mac Arthur e Wilson - Biogeografia e continuazione dell’approccio di Lotka-Volterra

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Verso l’ecologia integrata

• Lovelock - Ipotesi Gaia

• Forman, Godron, Naveh - Ecologia del paesaggio

• May, Flannery - Sistematica completa delle specie viventi

• Wilson, Soulé - Biologia della conservazione

• Costanza, de Leo, Daly - Economia ecologica

• Allen, Hoeskstra - Ecologia unita

• Gaston, Brown, Maurer - Macroecologia

Esistono “leggi” in ecologia?

Nella scienza, una “legge” è una formulazione generale che esprime i risultati dell’evidenza sperimentale. I fondamenti della fisica e della chimica possono essere spiegati da leggi esprimibili in modo univoco con formulazioni matematiche che, salvo eccezioni, possono essere considerate di validità generale (Legge di Newton, Legge di Henry, Legge di Boyle, ecc.).

Questo principio è difficilmente applicabile in modo rigoroso all’ecologia.

“Ecology indeed has few laws, although there are numerous patterns and rules of thumb.” (Lawton, 1999)

Due linee di pensiero

“Theoretical Ecology: Beginnings of a PredictiveScience” (Kolata, Science, 1974)

“Ecology: a collection of local histories

Esistono “leggi” in ecologia?

PV = nRT (vale sempre – se noi conosciamo una parte dei valori possiamo prevedere gli altri)

Tempo

Live

llo

di co

mpl

essi

tà

Ulteriore degrado

Rimane costante

Stato alternativo

Recupero del sistema

Sistema ecologico degradato

Stato di partenza

??

?

Esistono “leggi” in ecologia?Lawton individua cinque punti che possono essere considerati leggi

di base dell’ecologia:

• 1° e 2° legge della termodinamica;

• le regole della chimica e della fisica secondo le quali la materia non può essere creata o distrutta (per cui l’alchimia è una professione morta);

• la selezione naturale, come principale spiegazione dell’evoluzione;

• il set delle leggi fisiche che riguardano la diffusione dei gas e dei liquidi, le proprietà fisiche e meccaniche di dei tessuti e degli apparati anatomici ecc., che singolarmente o in associazione definiscono i limiti delle performance dei singoli individui;

• l’osservazione (triviale ma da non dimenticare) che gli organismi interagiscono tra loro e con l’ambiente che li circonda.

Teorie in ecologia

Leibold et al. (2004) Less completeMetacommunity theory

Scheiner and Willig (2005) IntermediateUnified theory of diversity gradients

Brown et al. (2004) IntermediateMetabolic theory of ecology

Willig et al. (2003) IntermediateTheory of latitudinal gradients of

diversity

Pimm (1982) IntermediateFood web theory

Chase and Leibold (2003) More completeNiche theory

Turchin (2001) More completePopulation dynamic theory

Hanski (1999) More completeMetapopulation theory

Pickett et al. (1987) More completeSuccession theory

Stephens and Krebs (1986) More completeForaging theory

MacArthur and Wilson (1967) More completeIsland biogeography theory

RiferimentoStato di

maturitàTeoria

8

Terminologia

Legge: dichiarazione di un ordine, o la relazione di un fenomeno che per quanto è conosciuto è invariabile secondo a “condizioni costanti”

Principio: un legge fondamentale e esaustiva

Teoria: un principio generale (o un insieme di principi) plausibile scientificamente che offra (offrano) una spiegazione a un fenomeno

Leggi (Dodds)

Dodds (35 leggi fondamentali, 5 leggi “candidate”, 9 generalizzazioni o patterns)

• Leggi fondamentali

• Leggi biologiche fondamentali

• Limiti fisiologici degli organismi

• Comportamento degli organismi

• Proprietà fondamentali delle popolazioni

• Leggi che nascono dall’evoluzione

• Variabilità e organismi

• Interazioni biotiche e abiotiche degli organismi

Perché l’ecologia è oggi cosìimportante?

• Molti dei principali problemi economici a scala planetaria hanno alla base una questione ecologica.

• Il rapporto tra uomo e ambiente nel corso del XX° secolo è cambiato, ed è cambiata la percezione che l’uomo ha di questo rapporto.

• Il campo delle scienze ecologiche è ancora relativamente inesplorato, ma si intuisce che conoscere meglio l’ecologia e le sue leggi aiuteràla società.

•

Ecologia ed ambientalismo

• L’ecologia è una disciplina scientifica, mentre l’ambientalismo rappresenta un movimento (con diverse anime) interessato a difendere e conservare la natura e a influenzare le scelte della politica attraverso attività di lobbing e/o discesa diretta in campo.

• Nonostante siano dunque due realtà distinte spesso vengono confuse tra loro.

• E’ comunque indubbio che fra ecologia e ambientalismo vi sono legami profondi anche se non sempre evidenti.

Ecologia e ambientalismo spesso si intrecciano

•Perché le popolazioni, anche non soggette all'influenza dell'uomo, hanno sempre fluttuato nel tempo, ma gli ecosistemi sono stabili?

•Come varia la stabilità degli ecosistemi in risposta all'azione dell'uomo, che comporta non solo prelievo di biomassa, ma anche cambiamentistrutturali del funzionamento della natura che ci circonda?

•Perché ci sono tante specie a questo mondo?

•Quali sono le relazioni tra stabilità, diversità e produttività degli ecosistemi?

• Come possiamo conservare la biodiversità?

•Come integrare le varie scale dell'ecologia: nello spazio (individuale, locale, regionale, globale) e nel tempo (batteri ed elefanti, scala fisiologica, demografica, genetica)?

•Come predire l'influenza dell'alterazione e frammentazione del territorio da parte dell'uomo alle diverse scale spaziali?

Ecologia e ambientalismo spesso si intrecciano

•Come utilizzare le conoscenze dell'ecologia dei parassiti per elaborare strategie integrate di controllo delle malattie?

•Come conciliare conservazione della naturalità e tutela della salute pubblica?

•Come integrare ecologia con geofisica, geochimica, demografia umana ed economia per una previsione più accurata dei cambiamenti globali e per un'elaborazione di politiche di sostenibilità ambientale?

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Ecologia ed ambientalismo in Italia

• Fino alla prima metà del XIX° secolo:– leggi e norme che tutelavano la gestione dei boschi e delle acque (i.e. Repubblica di Venezia, regi Lagni nel regno Borbonico)

– preservazione della selvaggina in quanto proprietà dei nobili e/o dei latifondisti (Patenti Regie per la tutela dello stambecco attorno al Gran Paradiso)

• Dopo l’unificazione dell’Italia: – primi problemi di carattere ambientale dovuti al processo di industrializzazione del paese.

Ecologia ed ambientalismo in Italia

• Tra la fine del XIX° secolo e i primi anni del XX° secolo nascono alcune società scientifiche (SBI, CAI, Società Zoofila Piemontese da cui deriva l’ENPA …).

• Cominciano alcune battaglie di conservazione dell’ambiente (i.e. preservazione della foresta del Gariglione in Calabria, preservazione della Pineta di Ravenna).

• Nel 1922 viene istituito il Parco Nazionale Gran Paradiso (PNGP) cui segue l’anno successivo il Parco d’Abruzzo .

• Nel 1934 e 1935 vengono istituiti i Parchi Nazionali dello Stelvio e del Circeo.

Ecologia ed ambientalismo in Italia

• La nascita del movimento ambientalista coincide con la nascita nel 1955 di Italia Nostra (conservazione del paesaggio e dei beni culturali)

• Conservazione della fauna (Movimento Italiano per la Protezione della Natura, poi Federnatura; WWF; LIPU) … … Si sviluppano negli anni ‘60. Il primo obiettivo è quello di bandire la caccia e di realizzare aree protette.

•

Ecologia ed ambientalismo in Italia

• 1972: 1° conferenza ONU sull’ambiente (Stoccolma); il Club di Roma pubblica il rapporto The limits to Growth.

• Nasce così l’ecologia politica (molto contestata a sinistra, dove si ritiene che la principale lotta per l’ambiente vada fatta nelle fabbriche)

• Legge Merli

• 1976 - Incidente di Seveso

• Fine anni 70 (fino al 1986): mobilitazione antinucleare

• Anni ‘80 Nascita delle prime liste verdi

Ecologia ed ambientalismo in Italia

• 1991 Legge quadro sulle aree protette

• 1996 I Verdi sono per la prima volta al governo nazionale (Ronchi ministro per l’ambiente).

• Nuove parole d’ordine: sviluppo sostenibile, no-global, no OGM, Kyoto …

• Nel 2002, per la prima volta la SocietàItaliana di Ecologia (S.It.E.) presenta un appello rivolto al Presidente del Consiglio per considerare alcuni principi ecologici all’interno delle politiche italiane.