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Organismi e ambiente

L'ecosistema

L'ecosistema è l'unità ecologica fondamentale, formata da una comunità di organismi viventi in una determinata area (biocenosi) e dallo specifico ambiente fisico (biotopo), con il quale gli organismi sono legati da complesse interazioni e scambi di energia e di materia.

Un ecosistema comprende diversi habitat e differenti nicchie ecologiche.

L'habitat è il luogo fisico dove un animale o una pianta vivono normalmente, in genere caratterizzato da una forma vegetale o da un aspetto fisico dominante (per esempio, un corso d'acqua o una foresta).

La nicchia ecologica è il ruolo ecologico, o "funzione", che ogni specie occupa all'interno di un habitat, cioè è uno spazio che include tutti gli aspetti dell'esistenza di quella specie. Per esempio, una nicchia ecologica è definita dalle esigenze alimentari, dalle abitudini di vita e dalle interazioni della specie considerata con altre specie, oltre che dalle condizioni climatiche e chimico-fisiche. La nicchia ecologica è unica per ogni specie (per esempio, è noto il caso di cinque specie di uccelli insettivori che si procurano il cibo in differenti zone specifiche di una stessa specie di abete in Nordamerica).


 

  • Flusso di energia

    I processi vitali che si svolgono negli ecosistemi sono basati su una rete di trasformazioni chimiche che comprendono:

      la sintesi di materia organica (biomassa), cioè di molecole organiche complesse con legami ricchi di energia (carboidrati, lipidi, proteine) a partire da composti inorganici semplici (acqua, diossido di carbonio, sali minerali) prelevati dall'ambiente; la degradazione della materia organica a composti inorganici semplici con legami poveri di energia, che vengono restituiti all'ambiente per essere nuovamente riutilizzati.

    Per assicurare il mantenimento di queste trasformazioni chimiche, e quindi della vita sulla Terra, l'ecosistema necessita di un flusso continuo di energia dall'esterno: questa viene fornita dal Sole e quindi si può considerare praticamente illimitata.

    L'energia solare viene utilizzata dall'ecosistema mediante le piante verdi, in grado di sfruttarla per fabbricare da sé il proprio nutrimento: attraverso la fotosintesi le piante trasformano l'energia luminosa in energia chimica, utilizzandone una parte per i propri bisogni fisiologici e immagazzinando il resto.

    Il trasferimento di energia agli altri organismi dell'ecosistema avviene attraverso le catene alimentari che collegano tra di loro i componenti della biocenosi.


     

  • Catene e reti alimentari

    Una catena alimentare è data dalla successione con cui alcuni organismi si alimentano di quelli che li precedono e, a loro volta, costituiscono alimento per quelli che li seguono. Secondo il posto occupato nella catena alimentare, gli organismi si collocano a diversi livelli trofici (alimentari): produttori, consumatori e decompositori.

    I produttori sono il punto di partenza delle catene alimentari; sono le piante verdi e, più in generale, gli organismi autotrofi (comprendenti alcuni batteri, come i cianobatteri), che catturano l'energia dall'esterno e la rendono disponibile nell'ecosistema;

    I consumatori sono distinti in primari, secondari, terziari ecc.

  • consumatori primari sono gli erbivori che si nutrono direttamente dei vegetali;

  • consumatori secondari sono i carnivori che si nutrono di erbivori;

  • consumatori terziari sono i carnivori che si nutrono di altri carnivori.

    I decompositori sono costituiti da invertebrati, funghi e batteri che si nutrono di altri organismi morti, operandone la decomposizione in composti semplici, che sono rimessi in circolazione.

    I consumatori e i decompositori, che devono procurarsi il nutrimento da materia organica preformata, sono eterotrofi.

    Le diverse catene alimentari di un ecosistema sono integrate tra loro a formare complesse reti alimentari.

    Il passaggio dell'energia attraverso l'ecosistema è unidirezionale, cioè va dai produttori ai consumatori e ai decompositori, e a ogni stadio una parte di energia si degrada, nel senso che viene dissipata sotto forma di calore ed è perduta dall'ecosistema. Nel passaggio da ogni livello trofico a quello successivo, quindi, la quantità di energia o, ciò che è lo stesso, di materia organica resa disponibile si riduce via via. Questa diminuzione di livello in livello viene rappresentata dalla cosiddetta piramide alimentare; in un ecosistema, la piramide alimentare (v. fig. 26.1) è espressa, per ogni livello, in termini di biomassa, cioè di quantità in peso di materia organica secca (costitutiva degli organismi) per unità di superficie (la piramide alimentare riflette quindi la piramide dell'energia in un ecosistema).


     

  • I cicli biogeochimici

    Al flusso di energia si intrecciano i cicli biogeochimici, o cicli dei nutrienti: sono percorsi chiusi attraverso cui nell'ecosistema avviene la circolazione di elementi chimici tra ambiente fisico e organismi viventi.

    Gli elementi indispensabili alla vita (come carbonio, ossigeno, idrogeno, azoto, fosforo), presenti nelle molecole inorganiche che si trovano nell'ambiente fisico (rocce, suolo, aria, acqua), sono continuamente incorporati e trasformati in molecole organiche dagli organismi viventi attraverso le catene alimentari; in seguito, nel corso dei processi metabolici degli organismi in vita e nel corso dei processi di decomposizione dopo la morte, questi elementi sono di nuovo trasferiti in molecole inorganiche e restituiti all'ambiente.

    La fonte principale, o serbatoio, di ogni elemento si trova in genere nell'ambiente non vivente. I cicli in cui il serbatoio è rappresentato dall'atmosfera (come quelli del carbonio e dell'azoto) sono detti cicli atmosferici; i cicli in cui il serbatoio è costituito dai sedimenti (come quello del fosforo) sono detti cicli sedimentari. I principali cicli biogeochimici sono il ciclo del carbonio (v. fig. 26.2), il ciclo dell'ossigeno (v. fig. 26.3), il ciclo dell'azoto (v. fig. 26.4), il ciclo del fosforo (v. fig. 26.5), dei quali indichiamo di seguito gli stadi principali.

    Il ciclo del carbonio si articola in quattro stadi:

    1. fissazione del diossido di carbonio (CO2) atmosferico, consistente nella sua trasformazione in composti organici attraverso la fotosintesi delle piante (terrestri e marine);

    2. ritorno del diossido di carbonio all'atmosfera in seguito all'ossidazione biologica della materia organica (respirazione, fermentazione, decomposizione) e alle reazioni di combustione (incendi naturali della vegetazione, uso di combustibili fossili ecc.);

    3. accumulo nelle rocce di una frazione del carbonio in seguito al deposito dei resti di alghe e gusci di animali marini, formati da carbonato di calcio insolubile, nei sedimenti dei fondi oceanici; questi si trasformeranno, nel tempo, in rocce calcaree;

    4. ritorno in circolo del carbonio delle rocce calcaree; queste possono essere trascinate in profondità e ritornare in superficie attraverso le eruzioni vulcaniche, che liberano di nuovo CO2 nell'atmosfera; oppure possono emergere come montagne ed essere dilavate dall'acqua che trascina in soluzione il carbonato di calcio come bicarbonato di calcio, rendendolo di nuovo disponibile per gli organismi viventi.

    Il ciclo dell'ossigeno comprende i seguenti stadi:

    1. consumo dell'ossigeno atmosferico durante la respirazione e i processi di ossidazione e di combustione;

    2. liberazione dell'ossigeno nell'atmosfera durante la fotosintesi clorofilliana e per trasformazione dell'ozono che si forma negli strati alti dell'atmosfera.

    Il ciclo biogeochimico dell'azoto comprende i seguenti stadi:

    1. fissazione dell'azoto atmosferico (che non può essere utilizzato direttamente dagli organismi) per opera di batteri azotofissatori, che vivono nel terreno; in questo processo l'azoto è trasformato in composti inorganici come ammoniaca e ioni ammonio, nitrati o nitriti;

    2. utilizzazione dei composti inorganici azotati da parte delle piante per assorbimento e successiva trasformazione in composti organici, soprattutto proteine, che passano nella catena alimentare;

    3. ritorno dei composti azotati all'ambiente per escrezione di urea, acido urico o ammoniaca nelle urine e di composti semplici nelle deiezioni degli animali;

    4. ritorno di azoto molecolare all'atmosfera per decomposizione di materia organica a opera di batteri denitrificanti nel terreno.

    Il ciclo biogeochimico del fosforo si articola nei seguenti stadi:

    1. diffusione del fosforo nel terreno e nei corsi d'acqua per erosione a opera della pioggia delle rocce fosfatiche (in cui è presente come fosfato di calcio);

    2. assorbimento da parte delle piante come ione fosfato, trasferimento agli altri organismi attraverso la catena alimentare; il fosforo viene incorporato in composti organici e nei fosfati inorganici costituenti delle ossa;

    3. ritorno dei composti organici e inorganici del fosforo nell'ambiente, sotto forma di prodotti dell'escrezione (guano degli uccelli) e di resti degli animali;

    4. trasformazione in composti inorganici, per decomposizione a opera di particolari batteri, del fosforo dei composti organici; il fosforo in forma di fosfati è riutilizzabile dalle piante (una parte di tali composti poco solubili si accumula nel terreno e nei sedimenti).

  • Media

    Figura 26.1Figura 26.4Figura 26.2
    Figura 26.5Figura 26.3

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