ECOLOGIA

ANIMALE E

CONSERVAZIONE

DELLA NATURA

Dr Elvira BrunelliCubo 6B piano terraelvira.brunelli@unical.it0984492996/76

Dr Federica TalaricoCubo 4B III pianofederica.talarico@unical.it0984493710

Introduzione all’ecologia

Ecologia di organismi, popolazioni, comunità- Ecosistemi -

Le variabili ambientali (temperatura, vento, acqua, luce,

sali,pH)

Ecologia comportamentale

Comportamento: genetica ed apprendimento -

Orientamento, spostamenti, migrazioni - Comunicazione -

Vita di gruppo, socialità, comportamento altruistico -

Riproduzione e sistemi di accoppiamento

Le popolazioni

Popolazioni e ambiente - Biotopo, Biocenosi, Habitat –

Distribuzione - Dinamica di una popolazione: potenziale

biotico e resistenza ambientale, fluttuazione delle

popolazioni, curva di crescita a J e curva di crescita a S,

specie r e K strateghe

Interazioni fra specie

Competizione, Nicchia ecologica - Predazione - Erbivorìa -

Parassitismo - Mutualismo - Commensalismo

Comunità

Metodi di studio - Diversità e ricchezza in specie - Indici di

diversità - Stabilità delle comunità e ricchezza in specie-

Cambiamento delle comunità e successione - Biogeografia

insulare

Ecosistemi

Concetto di ecosistema – Componenti che rendono

funzionale un ecosistema – Catene, reti alimentari e flusso

di energia- Catene del pascolo, del detrito e dei parassiti –

Livelli trofici – Piramidi dei numeri, delle biomasse e

dell’energia – Processo di bioaccumulo nelle catene

alimentari (magnificazione biologica) - Produzione in un

ecosistema: concetto di produttività

Biologia della conservazione

Biodiversità - Importanza della biodiversità nel

funzionamento degli ecosistemi - Perdita di

biodiversità: estinzione naturale - Perdita di

biodiversità: cause indotte dall’uomo - Strategie di

conservazione - Specie indicatrici, specie ombrello,

specie bandiera, keystone species - Ecologia del

ripristino.

Testo

Brooker et al.

Biologia Vol 6 - McGraw-Hill

Attività di laboratorio

Gruppi

•Ecologia – studio delle interazioni fra gli

organismi ed il loro ambiente

•Interazioni Biotiche – interazioni fra i

viventi

•Interazioni Abiotiche – interazioni fra gli

organismi ed il loro ambiente inanimato

•Scienze ambientali – applicazioni

dell’ecologia ai problemi reali del mondo

Ecologia dell'organismo

Ecologia di popolazione

Ecologia di comunità

Ecologia degli ecosistemi

Scala dell’ecologia

•Ecologia degli organismi

•2 sottodiscipline

•Ecologia fisiologica – studia come gli

organismi sono fisiologicamente adattati

al loro ambiente

•Ecologia comportamentale – studia

come il comportamento di ciascun

organismo contribuisce alla

sopravvivenza e al successo riproduttivo

• Ecologia di popolazione

• Pone la sua attenzione su gruppi di

individui che si riproducono fra loro

(popolazioni)

• Cerca di capire i fattori che

caratterizzano la crescita (al fine di

determinarne densità e dimensioni)

• Include lo studio delle interazioni fra

specie

• Predazione, competizione e

parassitismo

• Ecologia di popolazione

• Un settore importante dell'ecologia di popolazione si

occupa infatti delle specie introdotte o esotiche.

• Quando alcune di queste specie si diffondono in

maniera così aggressiva da soppiantare quelle

autoctone vengono considerate specie invasive

• SPECIE BIOLOGICA: secondo la definizione di Mayr:

"La specie e costituita da gruppi di popolazioni naturali

effettivamente o potenzialmente interfecondi e

riproduttivamente isolati de altri gruppi".

• Ogni specie costituisce infatti una singola comunità di

riproduzione, il cui patrimonio genetico e protetto

mediante opportuni meccanismi detti di isolamento

riproduttivo.

• Una specie autoctona di una data regione è una specie

che si è originata ed evoluta nel territorio in cui si trova.

• Non va confusa con la specie naturalizzata, una specie

alloctona ormai caratterizzata da popolazioni che si

autosostengono, o indigena, una specie che non si è

evoluta nella zona in cui è presente ma vi si è stabilita da

molto tempo, per azione dell'uomo, tanto da presentare

variazioni ed adattamenti particolari in risposta al nuovo

ambiente.

• Ulteriore distinzione va fatta per la specie endemica,

particolare categoria di autoctona, caratterizzata da un

areale molto ristretto e localizzato.

Gli esperimenti di Callaway e Aschehoug su Centaurea

diffusa

■ Si è sempre pensato che le specie invasive avessero

successo perché lontane dell'ambiente di origine erano in

grado di sfuggire ai loro nemici

■ Per controllare la diffusione di queste specie si cercava

quindi di portare anche i predatori naturali. Questa forma di

contenimento è detta controllo biologico

■ Centaurea diffusa è una pianta di origine euroasiatica

diffusa in molte aree del Nord America.

Gli esperimenti di Callaway e Aschehoug su Centaurea

diffusa

■ Hanno dimostrato che Centaurea diffusa secerne allelochimici che uccidono le

radici delle piante

■ Hanno dimostrato che Centaurea deprime la biomassa delle piante e del

Montana

■ Le piante di origine euroasiatica invece subivano danni inferiori rispetto alle

specie del Montana

■ In presenza di carbone attivo che in grado di assorbire le sostanze tossiche

secrete dalle radici della Centaurea le piante del montana hanno aumentato la

propria biomassa.

■ Questo studio ha cambiato il modo di vedere le ragioni del successo di queste

specie dimostrando che l'efficacia del controllo biologico effettuato su queste

piante attraverso introduzione di predatori naturali è discutibile

Studia come le popolazioni di specie diverse interagiscono e

formano comunità funzionali

Cerca di comprendere perché alcune aree sono ricche di

specie, mentre altre sono povere di specie

Studia anche la successione: come la composizione in specie

e la struttura della comunità cambiano nel tempo,

specialmente dopo un evento di stress o di disturbo

Ecologia delle comunità

Un eco sistema è un sistema costituito da una

comunità di organismi che interagiscono tra

loro e con il proprio habitat e dall'ambiente

fisico in cui essi vivono

• Studia il flusso di energia ed il ciclo degli elementi

chimici fra gli organismi nella comunità e fra gli

organismi e l’ambiente

• Studia i livelli nelle catene alimentari (livelli trofici)

• Le catene alimentari possono interconnettersi formando

le reti alimentari

Ecologia degli ecosistemi

■ I metodi dell'ecologia ◻ Ipotizziamo di dover trovare la causa della

crescita esponenziale delle locuste

◻Per prima cosa bisognerebbe tracciare una rete

di connessioni tra i fattori che possono

influenzare le dimensioni delle popolazioni di

locuste

◻Essi includono

■ Fattori abiotici come la temperatura la pioggia

il vento e il pH del suolo

■ Nemici naturali come uccelli predatori insetti

parassiti e parassiti di origine batterica

■ Competitori rappresentati da altri insetti o da

vertebrati come gli animali da pascolo

■ Piante ospiti comprese le variazioni nella qualità e

quantità delle piante

◻ Testare un'ipotesi comprende:

1. Osservazione

2. Formulazione di una ipotesi

3. Sperimentazione

4. Analisi dei dati

5. Accettazione o rigetto dell'ipotesi

◻ Immaginiamo di scoprire che il numero delle

locuste è influenzato dai livelli di predazione

da parte degli uccelli (relazione inversa fra

produzione e il numero)

■ a) relazione inversa fra

il numero di locuste e il

livello di penetrazione

– ipotesi che livello di

produzione

determinano il numero

delle locuste

■ b) sei punti non

fossero fortemente

raggruppati sarebbe

difficile ipotizzare che i

predatori abbiano una

reale influenza sulla

densità delle locuste23

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Lo

cu

st

nu

mb

ers

Line of best fit

(b) No relationship

Level of predation

(a) Strong relationship

■ Il grafico mostra una relazione o correlazione

significativa tra due variabili

■ Questo non sempre avviene

■ Non sempre correlazione significa causa

■ In un altro esperimento rimuoviamo i predatori

dalla vicinanza con la popolazione di locuste

■ Gruppo di controllo

■ Qualsiasi differenza nei due gruppi sarà dovuto

alla predazione

■ Si replica l'esperimento

■ Abbiamo osservato che in assenza di predatori il numero medio di locuste raddoppia

Possiamo usare diversi test statistici per verificare la significatività dei risultati

Ad ogni modo il fattore meteorologico è quello che realmente influenza le dimensioni delle popolazioni di locuste

Influenza dell’ambiente sulla

distribuzione delle specie

• Sia il pattern di distribuzione delle specie che

la loro abbondanza sono limitate dalle

caratteristiche fisiche dell’ambiente

• Temperatura, vento, disponibilità di acqua e luce, salinità e

pH

Temperatura

• E’ il fattore più importante nella distribuzione degli

organismi

• Influenza i processi biologici

• La maggior parte degli organismi non riesce a regolare

con precisione la temperatura corporea

Un animale viene definito REGOLATORE rispetto ad una

determinata variabile ambientale quando utilizza meccanismi

OMEOSTATICI per attenuare il cambiamento interno in risposta

ad una fluttuazione esterna

Un animale viene definito CONFORME rispetto ad una

determinata variabile ambientale quando permette alle

proprie caratteristiche di variare insieme alle caratteristiche

ambientali

La conformità e la regolazione rappresentano due casi estremi

in un continuum di processi adattativi e nessun organismo è un

regolatore o un conforme perfetto

La regolazione infatti richiede un dispendio di energia e in alcuni

ambienti il costo della regolazione può superare i benefici

dell’omeostasi

Il controllo della temperatura corporea

La maggior parte dei processi biochimici e fisiologici sono

estremamente sensibili ai cambiamenti della temperatura

corporea.

La velocità della maggior parte delle reazioni mediate da enzimi

aumenta di un fattore 2-3 per ogni aumento di 10°C della

temperatura

Questi effetti termici influiscono drasticamente sulla funzione e

sul rendimento animale

Il controllo della temperatura corporea

Sebbene le diverse specie animali siano adattate a T differenti

OGNI SPECIE possiede un ambito ottimale di temperatura.

All’interno di questo intervallo molti animali mantengono una T

corporea costante anche quando la T esterna è soggetta ad

oscillazioni

Il controllo della temperatura corporea

Omeotermi

T corporea

costante

Eterotermi o

Pecilotermi

T corporea variabile

Endotermi

La T corporea è

determinata dalla

loro capacità di

generare calore

Ectotermi

La T corporea è

determinata unicamente

da quella ambientale

Il controllo comportamentale della temperatura

Eterotermi

29°C < T esterna < 44°C

36°C < T corporea < 39°C

L’iguana del deserto

Vive nel deserto degli Stati

Uniti sud-occidentali

T corporea ottimale =

42°C

Tollera una T corporea =

47°C

Controllo metabolico

La maggior parte degli ectotermi può regolare la

velocità delle reazioni metaboliche alla temperatura

prevalente

Termoregolazione negli endotermi

36°C < T corporea < 38°CMammiferi

40°C < T corporea < 42°CUccelli

Metabolismo

Ossidazione sostanze nutritive

Metabolismo basale cellulare

Contrazione muscolare

calore

La maggior parte del consumo calorico giornaliero serve per

generare calore corporeo

A parità di taglia un endotermo che vive in climi freddi deve

nutrirsi di più rispetto ad uno che vive in climi caldi

Calore viene perso per:

Evaporazione di acqua

Irraggiamento

Conduzione

Convezione

Gli organismi della barriera corallina sonoabbondanti soltanto in acque calde a causadell’effetto della temperatura sulla deposizionedel corallo

• Il gelo è il fattore più importante

nella limitazione della distribuzione

geografica delle piante.

•Anche la distribuzione geografica

degli animali endotermi è

influenzata dalla temperatura. I

limiti settentrionali della

distribuzione invernale di Sayornis

phoebe, un piccolo uccello

corrispondono le regioni in cui le

temperature minime in gennaio si

mantengono sopra i 4°

Il gelo

• I coralli espellono le

alghe simbionti quando

le temperature sono

troppo alte

• Sbiancamento dei

coralli

• 1982-83 nella zona

Equatoriale del Pacifico

t>2-3 gradi Millepora

intricata unica specie

sopravvissuta

Le alte temperature

La temperatura media il parametro che limita la

distribuzione delle specie ma la frequenza delle

temperature estreme

Spostamento a scopo sperimentale di organismi al di

fuori delle loro zone di distribuzione e monitoraggio

dei tassi di sopravvivenza

Mettere in relazione la distribuzione delle specie solo

con la temperatura può essere un errore.

Le temperature usate per costruire le carte

isotermiche e non sempre corrispondono a quelle

percepite dagli organismi. In natura un organismo può

mettere in atto meccanismi comportamentali.

Le variazioni locali del clima all'interno di una

determinata area prendono il nome di microclima e

sono molto importanti per alcune specie

Tuttavia sono numerose le specie la cui distribuzione

viene limitata dalla temperatura. Per questo gli ecologi

sono preoccupati dall'aumento previsto della

temperatura a livello globale che porterebbe molte

specie all'estinzione

La radiazione solare passa attraverso l’atmosfera e scalda la

superficie della terra

L’energia irradiata dalla terra ritorna nell’atmosfera

I gas atmosferici assorbono molta di questa energia e la

reirradiano verso la superficie terrestre aumentando ulteriormente

il riscaldamento

Senza questo effetto, la vita non sarebbe sorta sulla terra

E’ causato principalmente da vapore acqueo, anidride

carbonica, metano, monossido d’azoto, e clorofluorocarburi

Effetto serra (Greenhouse effect)

Luce solare

Atmosfera

Calore

Calore

CO2

Effetto serra (Greenhouse effect)

La preoccupazione degli ecologisti e che l'attività umana

aumenti l'effetto serra causando il riscaldamento globale

cioè un innalzamento della temperatura della superficie

terrestre

2007 - Intergovernmental Panel on Climate Change - il

clima si sta riscaldando inequivocabilmente. L'evidenza

deriva dalle rilevazioni di un aumento globale delle

temperature medie dell'aria e degli oceani dallo

scioglimento di nevi e ghiacciai e dall'innalzamento dei

livelli medi degli oceani

Le attività umane accrescono l’effetto serra

Tutti i gas serra sono aumentati nell’atmosfera dall’inizio

dell’era industriale

La CO2 ha un potenziale più basso per unità di gas ma la sua

concentrazione nell’atmosfera e molto maggiore

I cambiamenti nel clima avvengono troppo rapidamente per

essere compensati dai processi evolutivi

Le zone climatiche potrebbero slittare più rapidamente di

quanto gli alberi riescano a migrare attraverso la dispersione

dei semi causando estinzione

Global warming (riscaldamento globale)

• Il vento può amplificare gli

effetti della temperatura

• Accresce la perdita di

calore attraverso

l’evaporazione/

transpirazione and

convezione (wind chill)

• Può intensificare l’azione

delle onde oceaniche

•Animali con colle

organiche e piedi

muscolosi (es. bivalvi con

ghiandola del bisso)

Vento

Disponibilità di acqua

L'acqua ha un effetto importante sulla distribuzione degli

organismi

Il citoplasma è costituito per l'85-90% di acqua e in

assenza di umidità la vita può risultare impossibile

L'acqua agisce da solvente in tutte le reazioni chimiche

partecipa le reazioni di idrolisi e disidratazione ed è il

mezzo attraverso il quale gli animali eliminano i rifiuti.

Essa entra far parte dello scheletro idrostatico di alcuni

invertebrati

La distribuzione della fauna è

legata a quella delle piante

La produttività di erba nel

Serengeti è correlata alle

piogge; la densità di bufali

neri (Syncerus caffer) è

correlata al cibo

Disponibilità

di acqua

La quantità di luce sufficiente per una pianta può non essere sufficienteper un’altra

Negli ambienti acquatici, l’acqua assorbe la luce impedendo la fotosintesia profondità maggiori 100m

La maggior parte delle piante acquatiche limita la sua presenza alla zonafotica dove c’e sufficiente luce per la fotosintesi

Le alghe rosse si spingono a maggiore profondità, possedendo pigmentiche rendono possibile utilizzare la luce verde-blu, che penetra amaggiore profondità rispetto alla luce rossa

Luce

Animali

I pesci d’acqua dolce tendono ad assorbire acqua e quindi devono

costantemente eliminarla

I pesci marini perdono acqua e devono quindi assorbirne per compensare

(il sale è escreto a livello delle branchie e del fegato)

Secrezione di sale in Spartina

Concentrazioni saline

Pioggia: pH 5.6

Il pH è leggermente acido perchè la CO2 forma acido carbonico

La maggior parte delle piante cresce meglio a pH 6.5 se la maggior parte dei nutrienti è disponibile

Un pH minore di 5.2 impedisce ai batteri nitrificanti di operare

Suoli gessosi e calcarei hanno una flora più ricca che non i suoli acidi

In generale il numero di pesci ed altre specie decresce in acque acide

Il pH ottimale per i pesci d’acqua dolce e di 6-9

L’acidità accresce la quantità di metalli tossici

pH

Il pH è minore di 5.6

Sono causate dalla combustione dei combustibili

fossili contenenti anidride solforosa e monossido di

azoto

L’acido solforico e nitrico nelle piogge acidificano

fiumi e laghi

Le piogge acide minacciano la sopravvivenza degli

stadi giovanili dei pesci

Possono minacciare direttamente le foreste

abbassando il pH del suolo e causando la caduta

delle foglie

Piogge acide

12

La pioggia incontaminata ha un pH di 5.6 dovuto all’anidride carbonica (CO2)

dell’atmosfera, ma concentrazioni ricorrenti di contaminanti come l’anidride

solforosa (SO2) e gli ossidi di azoto (Nox) causano un ulteriore diminuzione del pH.

Gli effetti dell'acqua acida sugli organismi non sono solo effetti diretti dovuti al pH

ma anche effetti indiretti, poichè elevate concentrazioni di ioni H+ mobilitano dai

sedimenti e dai suoli dello spartiacque l'alluminio e i metalli pesanti altamente

tossici.

PIOGGE ACIDE

Clima e comunità

Clima – è il pattern del tempo meteorologico prevalente in una

regione

Temperatura, precipitazioni, vento, e luce sono i componenti

Il clima determina la presenza di differenti biomi – le comunità

di maggiore scala

๏Le differenze nelle temperature sono dovute alle variazioni

latitudinali nella radiazione solare che giunge sulla terra

๏Alle latitudini più alte i raggi del sole raggiungono la terra

obliquamente e sono disperse sulla superficie più di quanto

avviene nelle aree equatoriali

๏In generale, la temperatura aumenta man mano che

aumenta la radiazione solare

Circolazione atmosferica

Lunga distanza

Raggi solari

Superficie ristretta Equator

TERRA

Energia solare ridotta

del 40% ai poli se

paragonata ai tropici

North

Pole

Superficie estesa

Breve

distanza

Raggi solari

Radiazione solare sulla Terra

Tem

pera

tura

media

annuale

ºC

Gradi di latitudine

20

40

30

10

0

80 70 60 50 40 30 20 10 0

–10

–20

Ai tropici le T sono mantenute costantidalle nuvole e dalle precipitazionipiovose

Variazioni di temperatura

La circolazione atmosferica

• I patterns globali di

circolazione atmosferica e

precipitazioni sono

influenzate dall’energia

solare

• Il modello di Hadley è basato su una grande cella di convezione in ciascun emisfero

• Il riscaldamento all’equatore causa un

innalzamento dell’aria ed il suo flusso verso i poli

• L’aria si raffredda e va al suolo, fluendo nuovamente verso l’equatore

• L’effetto Coriolis (effetto della rotazione terrestre in senso antiorario se si guarda dal polo nord) deforma i flussi in superficie verso ovest (venti alisei)

• 3 celle in ciascun emisfero

• Hadley cell più vicine all’equatore

• Polar cell vicine ai poli

• Ferrell cell interposte fra le precedenti

• I biomi maggiori sono determinati dalle differenze di temperatura e dalla circolazione dei venti

• Nelle zone di subsidenza l’aria, diventata secca, scende verso la terra, causando alta pressione e generando clima arido (deserti tropicali).

Modello a tre celle

Subsidence zone

Subsidence zone

Calme equatoriali ITCZ

0º

Alisei di sudest

Calotta polare

Fronte polare

L’aria umida sale (pioggia)

Cella polare

L’aria fredda e secca scende

Venti occidentali

60ºN

30ºN

30ºS

60ºS

Cella di Ferrell

L’aria secca scende (deserto)

Cella diHadley

Moist airrises — rain

Venti occidentali

Fronte polare

Calotta polare

L’aria fredda e secca scende

L’aria secca scende (deserto)

L’aria umida sale (pioggia)

Cella diHadley

Cella di Ferrell

Cella polare

Alisei di nordest

Rotazione terrestre

Equatore

Deserto

Deserto

60ºN

Inverni secchi, estati umide

Praterie e foreste temperate decidue

Foresta tropicale decidua

Foresta tropicale pluviale

Taiga

Tundra

Fascia polare alta:

precipitazioni scarse

Fascia subpolare alta:

precipitazioni abbondanti

Inverni umidi, estati secche

Fascia subtropicale alta:

clima secco

Precipazioni abbondanti

in tutte le stagioni

30ºN

0º

30ºS

60ºS

Fascia equatoriale

60ºN

0º

30ºS

60ºS

ICTZ: Inter Tropical Convergence Zone

Fascia subtropicale bassa:

clima secco

Inverni secchi, estati umide

Inverni umidi, estati secche

Fascia subpolare bassa:

precipitazioni abbondanti

Fascia polare bassa:

precipitazioni scarse

Foresta tropicale decidua

Circolazione atmosferica

★L’altitudine ed altri parametri possono influenzare il clima

Raffreddamento adiabatico – l’aumento d’altitudine

comporta un calo di 10°C per ogni 1.000m

Rain shadow (ombra pluviometrica): l’aria umida sale su

per la montagna e si raffredda rilasciando precipitazioni;

nel lato sottovento l’aria secca discende caratterizzando

aree dove le precipitazioni sono notevolmente minori

Aria umida

Aria secca

Rain shadow (ombra pluviometrica)

Sulle coste di giorno spirano brezze di mare

Durante il giorno, la terra si riscalda e l’aria risale

spingendo l’aria oceanica più fresca a rimpiazzarla

Di notte le brezze spirano verso mare

La terra si raffredda più rapidamente che non il mare e

quindi la modalità si inverte

Il mare modera la temperatura di coste ed isole

BREZZA DI MARE

Aria calda

Aria fredda

Vicinanza alla terra

★ Insieme al movimento di rotazione della terra, i venti

creano le correnti oceaniche

The end