ecologia

ecologia

Lo studio del rapporto tra organismi e ambiente

L'ecologia è la scienza che studia le relazioni dei viventi tra loro e con l'ambiente in cui vivono. Per ambiente si intende sia l'insieme degli altri esseri viventi con i quali un organismo interagisce sia l'insieme dei fattori fisici, chimici, geografici. Le relazioni tra i viventi possono essere osservate a diversi livelli, a partire da quelle tra gli individui di una stessa specie che si devono dividere le risorse, fino ai complicati rapporti che legano una foresta al ciclo dell'acqua e al clima. Il rapido accrescimento della popolazione umana e il progressivo deterioramento degli ambienti naturali terrestri rendono sempre più importante conoscere le leggi dell'ecologia per poter intervenire e ristabilire gli equilibri perduti

Cos'è l'ecologia?

Il rapido accrescimento della popolazione umana negli ultimi due secoli è stato accompagnato da un grande sfruttamento degli ambienti naturali. Ciò ha portato all'estinzione di molte specie e ha spesso compromesso le capacità degli ambienti di ritornare all'equilibrio naturale, che consente la sopravvivenza degli animali e delle piante che ci vivono.

Nelle isole Mauritius, per esempio, vive un albero particolare, il tambalacoque (Sideroxylon grandiflorum). Negli anni Settanta ci si accorse che questo albero, un tempo molto comune, era ormai ridotto a soli tredici esemplari ultracentenari. Infatti, nonostante le piante continuassero a fiorire ogni anno, non generavano più nuove piantine. Dopo anni di ricerche e ipotesi, finalmente uno studioso americano individuò la causa di questa tragedia botanica. I frutti del tambalacoque non potevano più germinare perché la germinazione dipendeva dal passaggio dei semi attraverso l'apparato digerente del dodo che se ne nutriva. Il dodo però era scomparso dalle isole perché l'uomo gli aveva dato la caccia fino a provocarne l'estinzione. E quindi da allora nessun nuovo seme aveva potuto germinare. Dopo molti esperimenti gli studiosi sono riusciti a sostituire il dodo con i tacchini, importati a questo scopo, e finalmente il tambalacoque è tornato a rivivere ed è stato salvato dall'estinzione. Questo esempio ci fa capire quanto i destini delle specie si incrocino in modo a volte impensabile, e quanto da essi dipenda la vita di un intero ambiente, in questo caso i boschi di tambalacoque.

Per questo nel 20° secolo è divenuto sempre più importante conoscere le leggi che regolano le relazioni tra gli esseri viventi e il loro ambiente. L'intera umanità dipende dagli ambienti naturali per il cibo, l'acqua, il mantenimento del clima, la protezione contro le catastrofi naturali e per la sua stessa salute.

La conoscenza di queste leggi rappresenta il campo di studio dell'ecologia, che si occupa di fare luce sui meccanismi che regolano gli equilibri naturali. Lo scopo è di poter intervenire su di essi correttamente, sfruttando le risorse naturali in modo che sia evitata l'estinzione delle specie animali e vegetali e sia garantita una loro utilizzazione secondo il principio dello sviluppo sostenibile.

I livelli di organizzazione ecologica

L'organismo è l'unità fondamentale dell'ecologia, ossia il sistema ecologico più elementare. L'organismo è infatti la prima unità vivente che si trova a interagire con l'ambiente circostante per ottenerne cibo, energia, rifugi e altre risorse necessarie alla sopravvivenza e alla riproduzione. L'ambiente rappresenta anche il luogo in cui l'organismo immette i prodotti di rifiuto delle sue attività metaboliche. Questi processi modificano gli ambienti e le quantità di risorse disponibili per gli altri organismi e contribuiscono ai flussi di energia e al riciclo degli elementi all'interno degli ecosistemi.

Le popolazioni

L'insieme di organismi appartenenti alla stessa specie che si trovano a vivere in una determinata area geografica e in un determinato ambiente costituisce una popolazione. Le popolazioni possiedono caratteristiche proprie che permettono di seguirne i cambiamenti numerici nello spazio e nel tempo in modo da prevederne i cambiamenti futuri. Lo studio delle popolazioni è di importanza fondamentale per capire le cause che portano le specie all'estinzione e per intervenire in modo adeguato limitando i danni provocati da specie infestanti. I tassi di natalità e mortalità (quanti individui nascono e quanti ne muoiono in un determinato intervallo di tempo), di emigrazione e immigrazione (quanti individui arrivano in un certo luogo e quanti ne partono) rappresentano le caratteristiche primarie delle popolazioni che permettono di studiarne le variazioni numeriche nel corso del tempo.

Questi parametri sono in stretta relazione con l'età o lo stadio di sviluppo, ed è quindi utile conoscere la struttura di età di una popolazione, che si raffigura attraverso le piramidi di età. In queste piramidi ogni gradino rappresenta una classe di età (per esempio giovani, adulti, vecchi), ed esse consentono di valutare quando una popolazione si trova in una condizione di stabilità numerica, di declino o di rapido accrescimento. Per esempio quando il gradino più basso è il più esteso, questo significa che nella popolazione si trova un numero di giovani più elevato rispetto agli adulti e ai vecchi. Ciò indica che la popolazione è in espansione, dato che i giovani rappresentano gli adulti che si riprodurranno nel futuro.

Come crescono le popolazioni

La crescita di una popolazione può seguire due andamenti distinti: una crescita esponenziale (la crescita aumenta sempre più velocemente nel tempo) e un andamento geometrico (la crescita rallenta via via che ci si avvicina a un limite, che resta poi costante nel tempo).

Crescita esponenziale. Nella crescita esponenziale nuovi individui si aggiungono continuamente alla popolazione dando luogo a una crescita illimitata: in questo modo la popolazione spesso giunge a esaurire tutte le risorse disponibili e ciò ne provoca un crollo improvviso e repentino con la morte di quasi tutti gli individui. Questa modalità di crescita provoca forti variazioni numeriche note come fluttuazioni ed è caratteristica di quegli organismi che vivono in ambienti molto variabili, ma che sono anche in grado di riprodursi in grandi numeri in breve tempo.

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Un tipico esempio di crescita esponenziale si osserva nelle alghe unicellulari che popolano le acque (v. fig.). Quando nell'acqua vengono immesse grandi quantità di fosfati e nitrati, fertilizzanti drenati dai terreni circostanti, si verifica un fenomeno di eutrofizzazione. Fosfati e nitrati, infatti, rappresentano una fonte importante di nutrimento per le alghe, che rispondono all'immissione con esplosioni demografiche, fenomeno noto come fioritura algale. Queste alghe formano uno strato compatto sulla superficie dell'acqua che limita il passaggio della luce e consuma la maggior parte dei nutrienti e dell'ossigeno disciolto, con conseguenze catastrofiche per le alghe stesse e per l'intera comunità acquatica.

Andamento geometrico. Popolazioni che invece vivono in ambienti più stabili e prevedibili mostrano generalmente una capacità di regolare il proprio numero al di sotto del limite di sfruttamento irreversibile delle risorse, e la crescita della popolazione diminuisce via via che ci si avvicina a questo limite, definito capacità portante dell'ambiente. In questo caso la diminuita disponibilità di risorse (per esempio di cibo) rappresenta un segnale che attiva i meccanismi di controllo demografico. Questa crescita è caratteristica di specie che hanno cicli vitali e riproduttivi piuttosto lunghi e complessi, come molti mammiferi e uccelli. Molti di loro mostrano un comportamento territoriale, in cui le dimensioni dei territori che vengono difesi dipendono dall'abbondanza delle risorse che si trovano al loro interno. Le dimensioni di un territorio sono quindi proporzionate alla capacità di fornire cibo e risorse vitali per tutta la durata della vita di un individuo o di un branco, e il consumo di risorse in una parte del territorio consentirà il rinnovamento nelle parti restanti. Dove le risorse sono scarse i territori hanno dimensioni maggiori, dove sono abbondanti i territori sono più piccoli e il numero totale di individui sarà di conseguenza minore o maggiore.

Oltre che dalla disponibilità delle risorse la crescita delle popolazioni è influenzata anche dalla presenza di specie competitrici o di prede o predatori, che intervengono limitando le risorse disponibili o eliminando individui. Due studiosi, l'americano James Lotka e l'italiano Vito Volterra, hanno individuato negli anni Trenta del Novecento le regole numeriche che permettono di tenere conto di queste relazioni nella dinamica di una popolazione.

Analisi della vitalità delle popolazioni

Le relazioni tra le specie. La conoscenza dei meccanismi che regolano la dinamica delle popolazioni, unita alla conoscenza degli effetti di eventuali eventi catastrofici, permette di simulare i possibili cambiamenti delle popolazioni nel tempo e di definirne le probabilità di estinzione o di sopravvivenza in un intervallo definito (per esempio, 100 o 1.000 anni). Queste simulazioni (analisi della vitalità delle popolazioni) permettono di prevedere il rischio di estinzione nel medio o lungo termine e di prendere misure adeguate per invertire la tendenza.

Tutte le popolazioni che formano una specie possiedono anche caratteristiche ecologiche proprie. L'ecologia delle specie fornisce informazioni utili sul ruolo svolto da una specie all'interno di una comunità. La maggior parte delle relazioni tra le specie (relazioni interspecifiche) si possono distinguere in tre grandi categorie: le relazioni competitive, i rapporti alimentari (per esempio, tra le prede e i loro predatori, o tra le piante e gli animali erbivori) e le relazioni di scambio di vantaggi reciproci (relazioni mutualistiche).

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Relazioni competitive. La competizione si origina quando specie diverse possiedono le stesse esigenze di spazio e risorse, occupano cioè la stessa nicchia ecologica. Uno dei principi fondamentali dell'ecologia è infatti il principio di esclusione competitiva, secondo il quale due specie che utilizzano le stesse risorse nello stesso periodo e nel medesimo spazio non possono convivere a lungo, e una soppianterà l'altra nel tempo. L'esito della competizione sarà determinato dalla superiorità numerica e dalla capacità di sottrarre risorse all'avversario stimabile da un parametro noto come coefficiente di competizione (v. fig.).

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Relazioni alimentari. Le relazioni alimentari tra prede e predatori hanno effetti incrociati sulla crescita o sul declino numerico delle rispettive popolazioni, che assumono un andamento ciclico (v. fig.). Queste relazioni sono molto importanti a causa dell'elevatissimo numero di specie coinvolte. Siamo infatti abituati a pensare ai predatori come ad animali grandi e feroci. In realtà sono predatori anche tutti gli animali insettivori e gli animali acquatici che si nutrono di piccoli crostacei, molluschi e zooplancton. Quando le prede sono molto abbondanti, i predatori aumentano di numero in risposta alle aumentate disponibilità di cibo. Ma in questo modo aumenta anche la pressione sulla popolazione di prede, che porta a una loro diminuzione. I predatori diminuiranno di conseguenza. A questo punto la diminuzione dei predatori consente alle prede di aumentare nuovamente, dando l'avvio a un nuovo ciclo. Una relazione simile lega anche i parassiti ai loro ospiti.

I rapporti tra prede e predatori sono anche importanti per l'influenza sull'evoluzione delle specie. Nelle prede, infatti, tendono a essere favorite le strategie e i caratteri che permettono di sfuggire ai predatori, e ciò spinge i predatori ad affinare sempre più le strategie di attacco e di ricerca delle prede. Uno degli effetti più rilevanti è rappresentato dalle diverse forme di criptismo (cioè la capacità di confondersi con l'ambiente) e di mimetismo (la capacità di somigliare ad altri organismi) di attacco e di difesa. Per esempio, le mantidi e molti ragni che non tessono tele utilizzano una strategia di caccia che consiste nel tendere un agguato alle loro prede. Questi predatori attendono le prede, per lo più insetti, nei luoghi da queste più frequentati, ossia le corolle dei fiori. Ciascuna specie assume una colorazione simile al fiore in cui si apposta, e diviene in tal modo invisibile alle prede, che, ignare, si posano e vengono attaccate. In altri casi sono le prede ad assumere forme e colorazioni che ne rendono difficile il riconoscimento da parte dei predatori. Ne sono un esempio gli insetti stecco (grilli, insetti stecco e forbicine) e gli insetti foglia.

Relazioni mutualistiche. Le relazioni mutualistiche indicano invece l'insieme dei rapporti di vantaggio reciproco che si osservano in molte specie. Gli scambi vantaggiosi possono essere legati al cibo, alla difesa dai predatori o alla necessità di dispersione. La relazione mutualistica può assumere un carattere facoltativo o obbligatorio. In quest'ultimo caso si parla di simbiosi. I licheni rappresentano un esempio di simbiosi, in cui un'alga e un fungo stringono una relazione reciproca senza la quale nessuna delle due specie potrebbe sopravvivere. Le alghe offrono nutrimento attraverso la fotosintesi clorofilliana e il fungo offre un ambiente idoneo alla crescita dell'alga. Tra i mutualismi difensivi si possono citare la dipendenza reciproca tra alcune specie di acacia e di formiche, in cui la pianta fornisce cibo e siti di nidificazione e la formica in cambio difende la pianta dall'attacco di parassiti e insetti nocivi. Un altro esempio famoso è la relazione tra i pesci pagliaccio e gli anemoni di mare (coralli e anemoni di mare): i primi sono insensibili alle punture urticanti degli anemoni e si proteggono dai predatori vivendo tra i loro tentacoli; in cambio, ripuliscono l'anemone da parassiti e residui di cibo. Così anche molti piccoli pesci tropicali ripuliscono la pelle di grandi predatori senza correre il pericolo di essere divorati. Anche la presenza di nettare in molte piante rappresenta un meccanismo per attrarre gli insetti, che in cambio trasportano il polline da un fiore all'altro, favorendo in tal modo l'impollinazione.

L'ecologia del comportamento

Una branca particolare dell'ecologia delle specie è rappresentata dall'ecologia comportamentale, che studia i comportamenti che permettono agli animali di sfruttare nel modo migliore il potenziale riproduttivo e le risorse offerte dall'ambiente. Queste strategie sono in stretta relazione con la qualità, la quantità e le modalità in cui le risorse stesse sono distribuite nell'ambiente, e coinvolgono il grado di socialità, il comportamento territoriale, il comportamento riproduttivo e le strategie di ricerca del cibo. Per esempio, le strategie di caccia dei predatori dipendono dalla dimensione e dalla distribuzione delle prede. Se le prede sono grandi e rare conviene cacciare in branco per aumentare le probabilità di successo della caccia. Tuttavia la preda dovrà essere poi condivisa con il branco. Per questo la caccia in gruppo non è una strategia conveniente nel caso di prede piccole. Le strategie tengono conto del bilancio tra costi e benefici legati all'adozione di una strategia rispetto a una o più strategie alternative. Molti modelli si rifanno alla teoria dei giochi elaborata da John Maynard Smith negli anni Settanta, in cui la scelta della strategia ottimale dipende anche dal contesto sociale in cui essa viene elaborata, cioè dal 'carattere' dei giocatori.

Le comunità

Le comunità rappresentano la componente vivente di un ecosistema, cioè l'insieme degli organismi vegetali e animali, anche se composti da un un'unica cellula, che vive in uno stesso ambiente.

Le comunità sono studiate soprattutto in relazione ai rapporti alimentari e alla ricchezza delle specie che le compongono. Il numero di specie che vive all'interno di una comunità rappresenta la biodiversità del sistema, un indice che nell'ultimo secolo è divenuto di grande importanza per valutare il grado di disturbo e deterioramento degli ambienti naturali .

Le relazioni alimentari, ossia 'chi mangia chi', definiscono le catene e le reti alimentari, attraverso le quali l'energia scaturita dal Sole e alcuni composti e nutrienti essenziali provenienti dall'atmosfera e dalla crosta terrestre vengono convertiti e trasformati all'interno della comunità, attraverso una serie di passaggi, noti come livelli trofici, che formano le catene e le reti alimentari.

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Ciascun ambiente che si trovi in condizioni di equilibrio stabile possiede una comunità caratteristica di specie, nota come comunità climax, che si stabilisce attraverso una serie di trasformazioni che iniziano con l'insediamento di specie pioniere, le quali vengono via via sostituite in fasi successive, note come stadi di successione, fino alla formazione del climax (v. fig.).

Le comunità interagiscono con i fattori abiotici formando gli ecosistemi. Lo studio degli ecosistemi riguarda i movimenti di energia e di sostanze all'interno degli ambienti, i quali sono dovuti all'attività degli organismi e alle trasformazioni fisiche e chimiche nel suolo, nell'atmosfera e nell'acqua.