biosfera

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La porzione della Terra in cui è presente la vita

Nel corso di circa 3,4 miliardi di anni di evoluzione, l'interdipendenza tra gli organismi che abitano la Terra è diventata sempre più vasta e complessa man mano che le specie si sono evolute contribuendo a creare un'ampia varietà di ambienti. Si sono, inoltre, sviluppate relazioni molto articolate tra mondo inorganico e mondo vivente. L'analisi delle interazioni tra i diversi organismi viventi e tra questi e il mondo inorganico è particolarmente importante oggi per studiare l'impatto dell'attività umana sull'ambiente.

La biosfera e gli ecosistemi

La biosfera è quella parte della Terra in cui sono presenti gli organismi viventi. Essa è costituita sia da elementi abiotici (cioè mari, oceani, pianure, catene montuose, fiumi), sia biotici (ossia tutti gli esseri viventi). La biosfera è uno strato relativamente sottile, dello spessore di circa 20÷30 km, che comprende l'idrosfera (dalla superficie del mare fino a circa 11 km di profondità), lo strato superficiale della litosfera (fino al limite inferiore delle acque di falda), l'interfaccia tra atmosfera e litosfera (fino a circa 9.000 m) e l'atmosfera (fino a un massimo di 20 km).

La disciplina che studia la biosfera si chiama ecologia e ogni porzione di biosfera delimitata naturalmente costituisce un ecosistema. La biosfera è il massimo ecosistema in quanto contiene tutti gli ecosistemi di livello inferiore. Questi ultimi sono classificati sulla base delle loro caratteristiche strutturali e funzionali. L'ambiente terrestre viene generalmente suddiviso in diversi ecosistemi principali, noti come biomi che si estendono su vaste aree geografiche e sono caratterizzati da condizioni climatiche simili e da particolari comunità vegetali e animali. Esempi di biomi sono la foresta tropicale, la savana, la steppa. Nell'ambiente acquatico, invece, risulta spesso difficile delimitare gli ecosistemi.

Funzionamento della biosfera

La Terra è un sistema aperto dal punto di vista energetico in quanto riceve energia dal Sole, successivamente irradiata nello spazio. Per quanto riguarda la materia, invece, la Terra è isolata dagli altri corpi celesti se si esclude l'apporto di sostanza sotto forma di meteoriti e la perdita di elementi leggeri, quali l'idrogeno, dagli strati più alti dell'atmosfera.

L'energia luminosa che giunge sulla Terra dal Sole consente la fotosintesi da parte degli organismi autotrofi (piante e alcuni batteri) che producono materia organica a partire da quella inorganica (anidride carbonica, acqua e altro). Questi organismi sono alla base della catena alimentare, che consiste di serie di organismi che si cibano l'uno dell'altro. Dopo gli autotrofi ci sono i consumatori che sono, invece, organismi eterotrofi, cioè che non sono in grado di produrre da soli le sostanze per il loro nutrimento e si cibano di altri organismi. Eterotrofi sono anche gli organismi decompositori, che appartengono a vari gruppi di batteri e funghi, i quali liberano componenti organici utilizzabili dai produttori. Essendo la Terra un sistema praticamente chiuso per quanto riguarda lo scambio di materia con gli altri corpi celesti, è importante che i residui di decomposizione prodotti dagli organismi siano riciclati in maniera efficiente. Da questo punto di vista, l'inquinamento può essere considerato un riciclaggio inadeguato di materia organica e inorganica che determina l'accumulo di sostanze dannose alla vita stessa.

Diversità e stabilità

L'insieme degli organismi che vive su una data superficie di terreno (o volume di acqua) costituisce la biomassa. Il tasso di crescita della biomassa determina la produttività di un certo terreno o volume di acqua. È interessante notare che gli ecosistemi più maturi sono caratterizzati non da una maggiore produttività ma da una elevata biodiversità, cioè da un maggiore numero di specie. Infatti, questa caratteristica consente all'ecosistema una maggiore stabilità e, quindi, una maggiore capacità di tornare allo stato iniziale dopo una qualsiasi perturbazione. Ne consegue che gli ecosistemi artificiali (agricoli, urbani, e così via) sono altamente instabili essendo caratterizzati da livelli troppo bassi di diversità. La stabilità degli ecosistemi agricoli, per esempio, può essere artificialmente mantenuta soltanto mediante massicci apporti di energia che avvengono sotto forma di irrigazioni, concimazioni, pesticidi.

L'ipotesi Gaia

A cavallo tra gli anni Sessanta e Settanta del Novecento il chimico inglese James Lovelock e la biologa americana Lynn Margulis formalizzarono la cosiddetta 'ipotesi Gaia'. Il termine Gaia deriva dal nome della dea della Terra nella mitologia greca e fu suggerito a Lovelock da E. William Golding, premio Nobel per la letteratura (è autore, tra l'altro, del libro Il signore delle mosche). Gaia è il pianeta Terra inteso come sistema fisiologico, come un insieme al cui interno varie parti interagiscono tra di loro. Questa ipotesi prevede che esista un legame stretto tra sistemi viventi e non viventi che mantenga la stabilità del sistema. La conseguenza di tale impostazione è l'idea che l'ambiente vada studiato non con un metodo riduzionistico, analizzando cioè ogni singola parte separatamente e mantenendo costanti le condizioni a contorno, ma con un approccio olistico, che considera tutte le componenti nel loro insieme.

Cosa possiamo dedurre dall'attuale composizione della nostra atmosfera?

Nei primi anni Sessanta, Lovelock lavorava per la NASA ‒ l'ente spaziale americano ‒ a un progetto molto interessante: si trattava di stabilire la presenza o meno di vita su un pianeta conoscendo la composizione della sua atmosfera. In base ai suoi studi sulla composizione dell'atmosfera marziana, egli dedusse l'assenza di vita su questo pianeta. I risultati più interessanti delle sue ricerche si ebbero quando egli applicò le sue teorie al pianeta Terra. L'atmosfera terrestre ha una composizione molto lontana dall'equilibrio. Infatti, la presenza simultanea di metano e ossigeno sotto l'azione della luce solare dovrebbe portare rapidamente alla formazione di anidride carbonica e acqua. Per mantenere la concentrazione nota di metano è necessario che questo venga introdotto nell'atmosfera in quantità pari a 500 milioni di t all'anno; per compensare la perdita di ossigeno che reagisce con il metano, ogni anno nell'atmosfera devono essere introdotti circa 1.000 milioni di t di tale gas. La produzione di queste ingenti quantità di ossigeno e metano dipende dall'attività della biosfera.

Se la vita scomparisse improvvisamente dalla Terra, tutti gli elementi chimici che costituiscono la superficie terrestre, gli oceani e l'atmosfera reagirebbero tra loro fino a esaurire ogni reazione possibile. Il Pianeta diventerebbe troppo caldo, arido e inadatto alla vita. Secondo Lovelock le condizioni chimiche e fisiche della superficie della Terra, dell'atmosfera e degli oceani sono state rese e vengono continuamente mantenute adatte alla vita grazie alla presenza della vita stessa. L'atmosfera con la sua attuale composizione è un prodotto del metabolismo di Gaia, il risultato di uno scambio attivo di gas con gli organismi viventi.

Questa ipotesi contrasta con la visione convenzionale che ipotizza che la vita si sia adattata alle condizioni del Pianeta, che abbia potuto manifestarsi sulla Terra e non altrove perché solo sulla Terra esistevano le condizioni adatte al suo sviluppo.

Un esempio di strategia di equilibrio

Anche esseri viventi minuti possono avere un ruolo fondamentale nel mantenere l'equilibrio del nostro pianeta. Questo tipo di dato è messo in rilievo per esempio dal fatto che diverse specie che formano il fitoplancton rilasciano come prodotto di rifiuto il dimetilsolfuro (DMS), sostanza in grado di contribuire al raffreddamento del Pianeta. Il DMS una volta prodotto raggiunge l'atmosfera dove forma un aerosol in grado di addensare l'umidità dell'aria sotto forma di nuvole. Queste nuvole, ricche appunto in DMS, sono particolarmente riflettenti e impediscono ai raggi solari di raggiungere la superficie della Terra. Il fitoplacton, quindi, producendo il DMS contribuisce a raffreddare il Pianeta. Un valore attualmente accettabile per quanto riguarda l'abbassamento della temperatura media del Pianeta dovuto all'attività del DMS è di 5,6 °C. È un valore di grande rilievo se si considera che la temperatura media del Pianeta è attualmente di circa 15 °C e che l'aumento di un solo grado porterebbe a variazioni climatiche e geofisiche imponenti (per esempio all'aumento del livello degli oceani).