Appunti di Ecologia: principi e concetti fondamentali per lo studio

APPUNTI ECOLOGIA

L'ecologia è definita come la scienza che studia le interazioni tra gli organismi e il loro ambiente (incluse le interazioni con gli organismi). Può anche essere definita come la scienza che studia le interazioni che determinano la posizione geografica (distribuzione) e l'abbondanza degli organismi. L'ecologia è una branca della biologia e il termine si riferisce ad una ricerca scientifica. Gli ecologi ora riconoscono che i sistemi naturali non tornano necessariamente al loro stato originale dopo un disturbo e che le perturbazioni apparentemente casuali svolgono spesso un ruolo importante in natura. (a differenza di ciò che pensano molte persone) Inoltre, testimonianze recenti suggeriscono che specie diverse spesso rispondono in modo diverso al mutare delle condizioni e tutto ciò è in contrasto con l'idea che ogni specie abbia una funzione definita. Quindi, a meno che non si forniscano dati accurati, nessun ecologo parla oggi di "equilibrio della natura" o della "funzione unica di ogni specie". Tuttavia, si può affermare che gli eventi nel mondo naturale sono interconnessi.

Massime ecologiche

• Gli organismi interagiscono tra loro e con l'ambiente fisico;
• Non c'è una "via" in cui i materiali di scarto scompaiono;
• Nessuna popolazione può aumentare di dimensioni per sempre;
• Non si mangia gratis;
• Gli organismi evolvono o cambiano nel tempo, è un errore considerarli immutevoli;
• Gli ecosistemi cambiano nel tempo;
• I fattori ambientali abiotici e biotici possono cambiare radicalmente da un luogo ad un altro, a volte anche a distanze molto brevi;
• La vita sarebbe impossibile senza le interazioni tra le specie: le specie dipendono tutte le une dalle altre per energia, sostanze nutritive e habitat.

Quando si cerca di rispondere a una particolare domanda, gli ecologi devono scegliere, per la raccolta delle informazioni, la dimensione più adeguata o la tipologia di scala, sia temporale che spaziale. Ogni studio ecologico affronta problematiche a certe scale ma ignora gli eventi in altre.

GERARCHIA

Gli ecologi studiano le interazioni in natura tra diversi livelli di organizzazione. Gli studi ecologici di solito enfatizzano uno o più dei seguenti livelli: individui, popolazioni, comunità, ecosistemi, paesaggi o l'intera biosfera.

• Individuo -> organismo animale o vegetale, unicellulare o pluricellulare;
• Popolazione -> gruppo di individui della stessa specie che vivono in una particolare area e interagiscono tra loro;
• Comunità -> insieme di più popolazioni appartenenti a specie diverse che vivono nella stessa area;

Gli studi ecologici a livello di popolazione e di comunità spesso esaminano non solo gli effetti della componente biotica (vivente) sul sistema naturale, ma anche quelli della componente abiotica (ambientale). Ad esempio, per una popolazione o una comunità, l'ecologo può chiedersi come le temperature, le precipitazioni o la disponibilità di nutrienti, possano influenzare la fertilità degli individui o le abbondanze relative delle diverse specie trovate in una comunità.

• Ecosistema -> è una comunità di organismi più l'ambiente fisico in cui essa vive;
• Bioma o Paesaggio -> comunità ed ecosistemi simili, generati da regioni con simili caratteristiche geologiche e climatiche;
• Biosfera -> lo strato che ricopre la superficie della terra, in cui sono presenti tutte le forme viventi e gli ambienti in cui essi vivono.

TERMINI CHIAVE PER STUDIARE LE CONNESSIONI IN NATURA

• Adattamento -> caratteristica di un organismo che migliora la sua capacità di sopravvivere o di riprodursi nel proprio ambiente;
• Evoluzione -> serie di cambiamenti prodotti nelle proprietà delle popolazioni, generazione dopo generazione, dalla selezione naturale;
• Selezione naturale -> processo evolutivo in cui gli individui che possiedono particolari caratteristiche sopravvivono o si riproducono ad un ritmo superiore a quello di altri individui grazie a quelle caratteristiche;
• Produttore (autotrofo) -> è un organismo che utilizza energia da una sorgente esterna, ad esempio il sole, per produrre il proprio cibo senza dover mangiare altri organismi o i loro resti;
• Consumatore (eterotrofo) -> è un organismo che ottiene energia mangiando altri organismi o i loro resti;
• Produttività primaria netta (PPN) -> quantità di energia (per unità di tempo) che i produttori fissano attraverso la fotosintesi o altri processi, meno la quantità che utilizzano nella respirazione cellulare;
• Ciclo dei nutrienti -> movimento ciclico di una sostanza nutritiva tra gli organismi e l'ambiente fisico (ad esempio, i decompositori degradano il corpo degli organismi morti, restituendo i nutrienti all'ambiente, che verranno poi assorbiti dai produttori).

DATI, RICERCHE E MODELLI

Gli ecologi si avvalgono del metodo scientifico: valutano le diverse ipotesi relative ai sistemi naturali attraverso osservazioni, esperimenti e modelli.

Quando gli ecologi eseguono gli esperimenti, spesso prendono in considerazione tre fasi:

• Replica di ciascun trattamento (ogni trattamento, compreso il controllo, viene eseguito più di una volta);
• Assegnazione dei trattamenti in modo casuale (per contenere gli effetti delle variabili non misurate);
• Analisi dei risultati attraverso metodi statistici (per stabilire se i risultati sono "significativi").

È grazie ai dati che è possibile sviluppare modelli, ovvero semplificazioni, astrazioni dei fenomeni naturali. Essi permettono di comprendere i processi naturali e di prevedere determinate dinamiche attraverso una serie di assunti espliciti. Così come la natura, la nostra comprensione dell'ecologia è in continua evoluzione.

GENI E FENOTIPO

Geni e alleli

I geni sono le unità fondamentali dell'ereditarietà, e sono localizzati sui cromosomi, strutture filamentose che si trovano nel nucleo delle cellule. I cromosomi sono composti da DNA, che contiene le informazioni genetiche. I geni possono esistere in forme diverse, chiamate alleli, che determinano le varianti di un tratto ereditario. Ad esempio, per il gene che determina il colore degli occhi, potremmo avere un allele per il colore marrone e uno per il colore blu.

Genotipo e omozigoti/eterozigoti

Il genotipo di un organismo è l'insieme degli alleli che possiede in un determinato locus (posizione su un cromosoma). Se un individuo ha due alleli uguali per un certo gene, è omozigote (ad esempio, due alleli per gli occhi marroni). Se ha due alleli diversi, è eterozigote (ad esempio, un allele per gli occhi marroni e uno per gli occhi blu). Quando un individuo è eterozigote, cioè possiede due alleli diversi, il suo fenotipo (l'insieme delle caratteristiche fisiche o comportamentali osservabili) dipende da quale allele si manifesta. Se un allele è dominante, esso si esprime sempre nel fenotipo, anche se l'altro allele è diverso. Ad esempio, se il marrone è dominante rispetto al blu per il colore degli occhi, una persona con un allele per gli occhi marroni e uno per gli occhi blu avrà occhi marroni. L'allele che non si manifesta viene detto recessivo.

Codominanza

In alcuni casi, nessun allele è dominante o recessivo, ma entrambi contribuiscono al fenotipo. Questo si chiama codominanza. Un esempio classico è il gruppo sanguigno AB, in cui sia l'allele A che l'allele B si esprimono contemporaneamente, portando a un fenotipo intermedio tra i due.

Genoma e fenotipo

Il genoma è l'insieme completo delle informazioni genetiche di un individuo. Tuttavia, il fenotipo non è determinato solo dal genotipo. Anche l'ambiente può influenzare l'espressione di determinati caratteri, come altezza o peso, che sono esempi di caratteri multifattoriali. Questi caratteri dipendono da più geni (espressione poligenica) e dalle condizioni ambientali, come nutrizione o esercizio fisico.

Plasticità fenotipica

La plasticità fenotipica è la capacità di un singolo genotipo di produrre fenotipi diversi in risposta a condizioni ambientali diverse. Ad esempio, piante che crescono in ambienti con luce e acqua in abbondanza possono sviluppare foglie più grandi rispetto a quelle che crescono in condizioni di scarsa luce o scarsità d'acqua. Questa gamma di possibili fenotipi viene chiamata norma di reazione.

Irreversibilità e reversibilità della plasticità fenotipica

Durante la crescita e lo sviluppo, molti cambiamenti fenotipici sono irreversibili, come l'altezza di un individuo adulto, che non può più cambiare significativamente una volta raggiunta l'età adulta. Tuttavia, alcuni cambiamenti sono reversibili, come l'adattamento alla temperatura. Ad esempio, un mammifero può sviluppare un mantello più folto in inverno e poi perderlo in estate, dimostrando una plasticità fenotipica reversibile.

TRE TIPI DI SELEZIONE

1. Selezione stabilizzatrice -> Questo tipo di selezione favorisce il fenotipo medio in una popolazione, eliminando gli estremi. Gli individui con tratti estremi hanno una fitness relativa inferiore rispetto a quelli con il fenotipo medio. La fitness relativa è la capacità di un individuo di trasmettere i suoi geni alla generazione successiva, rispetto agli altri. Ad esempio, in una popolazione di uccelli, se le dimensioni medie delle uova garantiscono la miglior sopravvivenza, le uova troppo grandi o troppo piccole verranno selezionate negativamente, e la popolazione tenderà a uniformarsi intorno al valore medio.
2. Selezione direzionale -> In questo caso, uno degli estremi di un fenotipo ha una fitness relativa maggiore. La popolazione quindi si sposta verso quell'estremo. Ad esempio, se un cambiamento ambientale favorisce gli individui più alti in una specie di piante, nel tempo la popolazione diventerà composta da piante più alte. La selezione direzionale è spesso associata a cambiamenti ambientali o nuovi pressioni selettive che favoriscono un particolare tratto.
3. Selezione divergente -> Qui, gli individui agli estremi di un fenotipo hanno una fitness relativa maggiore rispetto a quelli con il fenotipo medio. In una popolazione di pesci, ad esempio, se i pesci piccoli possono nascondersi meglio dai predatori, mentre i pesci grandi riescono a difendersi meglio, entrambi gli estremi saranno favoriti, mentre i pesci di dimensioni medie verranno selezionati