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Flussi di energia negli ecosistemi2a parte
Leonardo Beccarisi
Corso di EcologiaUniversita degli Studi di Roma Tre
18 novembre 20106a lezione
Sommario
1 Produttori primari nel mareIl fattore luceDisponibilita di carbonioDisponibilita di nutrienti
2 Produttori primari in habitat privi di luceComunita delle fumarole nere
3 ConsumatoriHome range e foraggiamentoTeoria metabolicaPerche l’efficienza ecologica dei consumatori e bassa?
4 Conclusioni
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Il fattore luceDisponibilita di carbonioDisponibilita di nutrienti
RicapitolandoProduttori primari terrestri
• Reti trofiche
• Piramide di energia
• Efficienza ecologica (efficienza di Lindeman)
• L’efficienza ecologica di un livello trofico e sempre inferiore aquella predicibile dalla 2a legge della termodinamica
• Il caso dei produttori primari
• Gli esseri viventi si oppongono al libero trasferimento dienergia da un livello trofico all’altro
• Luce, anidride carbonica, acqua e disponibilita di nutrienticondizionano la produttivita primaria
• A scala planetaria, temperatura e precipitazioni sono i fattoriambientali che condizionano maggiormente la produttivitaprimaria
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Il fattore luceDisponibilita di carbonioDisponibilita di nutrienti
L’estinzione della luce attraverso l’acqua
Zona epipelagica
La luce e rapidamente assorbita dall’acqua,e la sua energia e degradata in calore.La zona epipelagica e quello stratoilluminato di mare in cui e possibile lafotosintesi.
In acque pulite (oceani)
La luce rossa e assorbita entro i primi10-20 m di profondita; la luce blu siestingue completamente entro 140-200 mdi profondita.
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Il fattore luceDisponibilita di carbonioDisponibilita di nutrienti
L’estinzione della luce attraverso l’acqua
In acque torbide (acque costiere)
Le acque costiere sono normalmentericche di sedimenti e di particellecolloidali sospese.In queste condizioni, la luce puoestinguersi entro poche decine dimetri di profondita.
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Il fattore luceDisponibilita di carbonioDisponibilita di nutrienti
L’estinzione della luce attraverso l’acqua
Alga rossa
Alga bruna
Le alghe rosse e le alghebrune fanno fronte alproblemadell’assorbimentoluminoso attraverso deipigmenti accessori,annessi al sistemafotosintetico, i qualiassorbono alcunelunghezze d’onda che nonstimolano la clorofilla.
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Il fattore luceDisponibilita di carbonioDisponibilita di nutrienti
Disponibilita di carbonio
I vegetali marini sono capaci di utilizzare il carbonio dal sistema insoluzione bicarbonato-carbonato (principalmente dagli ionibicarbonato).
Equilibrio dei carbonati
Anidridecarbonica + Acqua
Acidocarbonico Bicarbonato Carbonato
In formula:
CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO−3 H+ + CO2−
3
Il processo e controllato dalla concentrazione di CO2, dallaconcentrazione di altri ioni e dalla temperatura.
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Il fattore luceDisponibilita di carbonioDisponibilita di nutrienti
Disponibilita di nutrienti in mare aperto
La produttivita primaria in mare aperto e molto bassa a causa dellascarsa concentrazione di nutrienti nelle acque superficiali.
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Il fattore luceDisponibilita di carbonioDisponibilita di nutrienti
Correnti oceaniche
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Il fattore luceDisponibilita di carbonioDisponibilita di nutrienti
Disponibilita di nutrienti nelle zone di risalita
In rosso sono indicate le zone di risalita (upwelling)
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Il fattore luceDisponibilita di carbonioDisponibilita di nutrienti
Disponibilita di nutrienti nelle zone di risalita
Dove le correnti marine divergono si ha un effetto di risalita delleacque profonde in superficie (upwelling). In queste acque laconcentrazione di nutrienti e la produttivita primaria sono elevate.
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Comunita delle fumarole nere
Comunita delle fumarole nere (black smokers)
Estremofili Microrganismi chevivono in condizioni proibitiveper la maggior parte degliesseri viventi.
Termofili e ipertermofiliMicrorganismi che vivono atemperature prossime ai100◦C.
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Comunita delle fumarole nere
Comunita delle fumarole nere (black smokers)
Microrganismi chemioautotrofi(metanobatteri, solfobatteri,idrogenobatteri) estremofilicostituiscono il livello deiproduttori delle comunita dellesorgenti idrotermiali sul fondodegli oceani.
Vermi tubicoli (Siboglinidae) dellefumarole nere
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Home range e foraggiamentoTeoria metabolicaPerche l’efficienza ecologica dei consumatori e bassa?
Home range
Home range Area minima in grado di sostenere le richiesteenergetiche individuali.
Gli animali grandi hanno home range grandi.
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Home range e foraggiamentoTeoria metabolicaPerche l’efficienza ecologica dei consumatori e bassa?
Teoria del foraggiamento ottimale
RobertMacArthur
(1930-1972)
Prede grandi ad alto contenuto energetico, madifficili da catturare. Prede piccole a minorecontenuto energetico, ma piu semplici da catturare.
Considerando gli sforzi per la ricerca e la cattura della preda, ilconsumatore adotta la soluzione che conduce al maggioreguadagno energetico.
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Home range e foraggiamentoTeoria metabolicaPerche l’efficienza ecologica dei consumatori e bassa?
Teoria metabolica
Legge di Kleiber
Max Kleiber(1893-1976)
I trasferimenti energetici (tassometabolico) di un organismo aumentanocon l’aumentare della sua massa corporea:
Y = aX 0,75
dove Y e il tasso metabolico, a e unacostante e X e la massa corporea.
Dall’equazione precedente si deriva che itassi metabolici per unita di massadecrescono con la massa degli organismi:
Y
X= aX−0,25
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Home range e foraggiamentoTeoria metabolicaPerche l’efficienza ecologica dei consumatori e bassa?
Teoria metabolica
Legge del Q10
Ad ogni aumento di 10◦C della temperatura corporea si ha unraddoppiamento della velocita delle reazioni biologiche.
Teoria metabolica (MTE - Metabolic Theory of Ecology)
Le richieste metaboliche (riproduzione, attivita, crescita,riproduzione) degli organismi aumentano con l’aumentare delle lorodimensioni e della temperatura corporea.
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Home range e foraggiamentoTeoria metabolicaPerche l’efficienza ecologica dei consumatori e bassa?
Produttivita
Produttivita primaria L’energia fissata dalle piante verdi(produttori primari).
Produttivita secondaria L’energia che fluisce in ogni livello trofico,oltre quello dei produttori primari.
Produttivita lorda L’energia nella biomassa prodotta assieme aquella utilizzata per produrla.
Produttivita netta L’energia nella biomassa prodotta.
Produtticita lordan = Produttivita nettan + Respirazionen
dove n e il livello trofico.
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Home range e foraggiamentoTeoria metabolicaPerche l’efficienza ecologica dei consumatori e bassa?
Efficienza ecologica
Efficienza ecologica (efficienza di Lindeman)
Raymond Lindeman(1915-1942)
Il rapporto tra la produttivita lorda (λ) allivello trofico n e quella al livello n − 1nell’unita di tempo.Ad esempio, l’efficienza ecologica degli erbivori(Eh) e
Eh =λn(erbivori)
λn−1(piante)· 100
L’efficienza ecologica e generalmente bassa e varia da menodell’1% al livello trofico degli erbivori a poco piu del 10% ai livellipiu alti dei consumatori.La maggior parte dell’energia che entra in un livello trofico viene,quindi, degradata nel livello trofico stesso.
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Home range e foraggiamentoTeoria metabolicaPerche l’efficienza ecologica dei consumatori e bassa?
Perche l’efficienza ecologica dei consumatori e cosı bassa?
1 Perche le prede respirano
2 Perche le prede oppongono resistenza alla predazione
3 Perche solo una parte del cibo ingerito viene assimilata,mentre l’altra viene escreta con le feci
4 Perche una parte dell’energia viene eliminata come prodottodi rifiuto del metabolismo celluare (urine, ad esempio)
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Home range e foraggiamentoTeoria metabolicaPerche l’efficienza ecologica dei consumatori e bassa?
Efficienza di sfruttamento
Efficienza di sfruttamento =Energia ingerita
Produzione netta delle risorse· 100
Sistema Consumatori Efficienza di sfruttamento
Deserto Mammiferi erbivori 2% del soprassuolo totale5,5% della PPN1
86% della produzione disemi
Foresta decidua Insetti fitofagi 3-8% del fogliamePrateria Formiche 9-26% dei semi
1Produttivita primaria netta
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Home range e foraggiamentoTeoria metabolicaPerche l’efficienza ecologica dei consumatori e bassa?
Formiche granivore
Ingresso di un nido della formica granivora Messor structor
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Home range e foraggiamentoTeoria metabolicaPerche l’efficienza ecologica dei consumatori e bassa?
Efficienza di assimilazione
Efficienza di assimilazione =
√cibo assimilato
cibo ingerito· 100
L’efficienza di assimilazione
• nel caso di erbivori e detritivori e compresa tra 30-40%;
• nel caso dei carnivori e molto alta, ed arriva fino all’80%.
Produttori primari nel mareProduttori primari in habitat privi di luce
ConsumatoriConclusioni
Home range e foraggiamentoTeoria metabolicaPerche l’efficienza ecologica dei consumatori e bassa?
Efficienza di assorbimento e di produzione
Efficienza di assorbimento =tasso di assorbimento
tasso di assimilazione· 100
Efficienza di produzione =tasso di produzione
tasso di assorbimento· 100
I valori di efficienza di produzione dipendono in gran parte dai costirespiratori degli animali, dipendenti dalla mole e dalla temperaturacorporea (teoria metabolica).La principale differenza tra gli animali risiede nelle diverse strategiedi comportamento e nelle strategie per il mantenimentoantitermico; si distinguono gli animali “a sangue caldo”(omeotermi) dagli animali “a sangue freddo” (eterotermi).
Collegamenti con il libro di testo
Capitolo 6 pp. 149-157, 161-162
Siti web
Metabolismo e temperatura: la teoria metabolica in ecologia http://www.
ecologicacup.unisalento.it/CamClim_teoriametab.aspx
Fonti delle immagini Wikipedia (pp. 4, 9, 10, 12, 13, 14, 16); Ed Bierman (p. 6); Graca Gaspar (p. 6); AndreaCosta (p. 5); http://animalscience.ucdavis.edu/memorial/kleiber.htm (p. 17); University of Minnesota(p. 20).
Presentazione realizzata con il sistema Beamer 3.07.