Indice
La biosfera (Vernadsky, 1929) è quella parte della Terra in cui esiste la vita e nella quale organismi viventi e ambiente fisico sono strettamente interconnessi e si evolvono influenzandosi reciprocamente. Essa occupa uno strato di 20-30 km, compreso tra l’interno ardente della Terra e il freddo senza vita dello spazio, ed include: l’idrosfera (dalla superficie dei mari agli abissi oceanici), lo strato più superficiale della litosfera (approssimativamente fino al limite inferiore delle acque di falda), l’interfaccia litosfera-atmosfera e gli strati inferiori dell’atmosfera (fino a 20 Km). Tuttavia ad altitudini considerevoli sopra la superficie del pianeta e in zone troppo aride o eccessivamente calde o fredde della superficie terrestre è possibile trovare solo forme vitali allo stato latente (spore, cisti).
Al variare delle condizioni climatiche, nelle diverse regioni delle terre emerse, la biosfera assume diverse caratteristiche strutturali e funzionali, differenziandosi in biomi, quali per esempio la foresta tropicale pluviale, la foresta decidua temperata e il bioma mediterraneo, ciascuno associabile ad un tipo di clima. Inoltre nell’ambito di ogni regione climatica le condizioni ambientali non sono completamente uniformi: la presenza di monti, corsi d’acqua e diversi tipi di roccia, crea una eterogeneità spaziale delle condizioni ambientali alla quale corrisponde una eterogeneità di ecosistemi. Un ecosistema (Tansley, 1935) può essere definito come un’unità funzionale che include tutti gli organismi che vivono in una data area (comunità biotica) e le componenti non viventi (abiotiche), che interagiscono strettamente tra di loro. Un ecosistema, quale un prato o un ecosistema d’acqua dolce, è un sistema dinamico, in quanto si evolve nel tempo, e aperto, dato che interagisce con gli altri ecosistemi della biosfera, ed è caratterizzato da una struttura ed un funzionamento. I suoi componenti, viventi e non viventi, ne definiscono la struttura. Quanti e quali organismi viventi compongano un dato ecosistema dipende dalle condizioni ambientali o fattori ecologici, in particolare dai valori di temperatura, umidità, salinità, dalla diponibilità delle risorse (acqua e nutrienti nel caso delle piante, acqua e cibo nel caso degli animali), dall’eventuale passaggio del fuoco. Generalmente per ogni fattore ecologico gli organismi presentano un intervallo di tolleranza, compreso tra un valore minimo ed un valore massimo di tolleranza, entro il quale sopravvivono. Le loro prestazioni sono massime entro un intervallo ottimale, più ristretto di quello che consente la sopravvivenza. Organismi con ampi intervalli di tolleranza per la maggior parte dei fattori ecologici hanno un’ampia distribuzione sulla superficie terrestre.
Il funzionamento di un ecosistema, e quindi dell’intera biosfera, è reso possibile da un flusso di energia e dalla circolazione di elementi nutritivi tra la comunità biotica e la componente abiotica. Gli organismi viventi necessitano infatti di costituenti per i loro corpi, ed energia per le loro attività.
Il flusso dell’energia
L’energia che alimenta la biosfera proviene prevalentemente dal sole. La radiazione solare, attraversando l’atmosfera terrestre, subisce fenomeni di assorbimento e diffusione, cosicchè solo il 67% dell’energia solare che giunge all’esterno dell’atmosfera, raggiunge poi la superficie terrestre a mezzogiorno di un giorno sereno. Di questa, solo circa il 44% è costituita da radiazione visibile o luce, che può essere utilizzata dalla maggior parte degli organismi fotosintetici (piante superiori, briofite, alghe, cianobatteri). Soltanto i batteri fotosintetici sono in grado di utilizzare radiazioni infrarosse, che costituiscono il 52% della radiazione solare incidente, nessun organismo usa radiazione ultravioletta (4% della radiazione incidente). Gli organismi fotosintetici convertono parte dell’energia solare assorbita in energia chimica, che utilizzano poi per trasformare molecole inorganiche semplici (anidride carbonica e acqua) in sostanza organica complessa. Dalla respirazione cellulare della sostanza organica gli organismi viventi ottengono l’energia necessaria per tutte le loro attività. Mentre gli organismi fotosintetici, detti anche produttori o autotrofi, sono in grado di produrre la sostanza organica di cui hanno bisogno, tutti gli altri organismi (eterotrofi) non hanno questa capacità ed utilizzano per il loro sostentamento la sostanza organica prodotta dagli autotrofi. Pertanto è dalla conversione dell’energia solare in energia chimica presente nella sostanza organica (produzione primaria), realizzata dai produttori nel processo fotosintetico, che dipende la vita sulla Terra. L’efficienza di questo processo tuttavia è molto bassa. Quando gli organismi fotosintetici si trovano nelle condizioni ottimali di luce, acqua, nutrienti, temperatura, ecc. soltanto il 10% dell’energia da essi assorbita viene convertita in sostanza organica, di questa circa il 25% è utilizzata dagli stessi produttori per il proprio mantenimento e quindi soltanto il 75% (non oltre il 4% della radiazione solare incidente) è disponibile per gli eterotrofi. Se le condizioni ambientali non sono ottimali, come generalmente accade, l’efficienza è ancora più bassa.
Il trasferimento dell’energia dai produttori ad organismi che consumano e sono a loro volta consumati (consumatori) avviene lungo una catena alimentare. Una catena alimentare è costituita da diversi anelli (per esempio, pianta -> erbivoro -> carnivoro) che Lindeman (1942) chiamò livelli trofici. Ad ogni passaggio da un livello trofico al successivo, parte dell’energia viene trasformata in calore e in tale forma non è più utilizzabile per compiere lavoro. In genere solo il 10% dell’energia passa da un livello trofico al successivo, cosicchè ai livelli trofici più elevati è disponibile meno energia. Per questo motivo le catene alimentari sono corte, da 3 a 7 livelli trofici. Per lo stesso motivo, a parità di superficie coltivata, l’uomo trae più energia se utilizza la produzione vegetale piuttosto che quella animale. Parte della sostanza organica, di natura vegetale ed animale, non viene ingerita dai consumatori o non viene assimilata, e va a costituire il detrito che rappresenta la fonte di energia di un altro gruppo di eterotrofi: i decompositori. Questi degradano la sostanza organica morta, nel processo di decomposizione, rendendo nuovamente disponibili per le piante gli elementi nutritivi, quali azoto e fosforo, altrimenti bloccati nella sostanza organica morta. L’energia quindi fluisce attraverso due vie, la catena del pascolo (piante -> erbivori -> carnivori) e la catena del detrito (detrito -> decompositori -> carnivori). In realtà la catena del pascolo e quella del detrito sono strettamente interconnesse e vanno a costituire la rete alimentare.
I cicli dei nutrienti
Gli elementi indispensabili alla vita, i nutrienti, circolano continuamente nell’ecosistema mossi dal flusso energetico. Questo infatti si realizza attraverso i cambiamenti della forma chimica degli stessi elementi nutritivi. L’energia attiva i cicli dei nutrienti, nei cicli si trasforma l’energia: flusso energetico e ciclo dei nutrienti, due aspetti dello stesso processo!
I nutrienti, nell’ecosistema, possono trovarsi in comparti biotici, a costituire i tessuti degli organismi vivi o morti (la sostanza organica presente nei suoli e disciolta nelle acque), o in comparti abiotici, come le rocce, i sedimenti, i composti minerali disciolti nelle acque, l’atmosfera. Ogni comparto è una riserva dove l’elemento può rimanere per tempi che variano dai minuti ai milioni di anni, prima di fluire in un nuovo comparto. Alcuni flussi, i più rapidi, sono operati da processi biologici: produzione primaria, decomposizione, mineralizzazione dei nutrienti convertono costantemente il carbonio, l’azoto, il fosforo, lo zolfo dalla forma inorganica a quella organica, ovvero dai comparti abiotici a quelli biotici. L’entità e la velocità di questi flussi regola componenti, processi e fattori della biosfera, e da essi dipende. Altri flussi, in genere molto più lenti, sono attivati da processi di natura fisico-chimica e geologica: sedimentazione, erosione, dissoluzione, solubilizzazione, trasferiscono gli elementi dall’atmosfera, alle acque ed alle rocce; volatilizzazione ed eruzioni vulcaniche li riportano da queste in atmosfera. Pur contribuendo poco al dinamismo dei processi della biosfera, sul lungo periodo sono questi ultimi processi a determinare lo stato di equilibrio fra i diversi comparti.
Il ciclo del carbonio
La Terra contiene 1023 g di carbonio (C): la grande maggioranza si trova nelle rocce sedimentarie in forma di carbonati (6,5 Χ 1022 g) e composti organici (1,56 Χ 1022 g). Solo una piccola parte del carbonio (40 Χ 1018 g) è presente nei comparti attivi, come l’atmosfera o gli organismi viventi sulle terre emerse e negli oceani. Ma è fra questi comparti che si realizzano i flussi maggiori: attraverso processi biologici, come ad esempio la fotosintesi e la respirazione aerobia ed anaerobia, il carbonio, in forma di anidride carbonica (CO2) ed in misura molto minore di metano (CH4), viene trasferito dall’atmosfera alla componente biotica sulle terre emerse e negli oceani e viceversa. A questi rapidi ed ampi flussi, concorre anche un processo di natura fisica, regolato dalla legge di solubilità dei gas: la CO2 presente nell’atmosfera può passare e disciogliersi nelle acque (dove poi formerà ioni bicarbonato e carbonato), mentre la CO2 trattenuta nelle acque può liberarsi in atmosfera.
Dall’atmosfera agli oceani il carbonio viene anche trasportato da lenti processi di natura chimica: la CO2 atmosferica a contatto con rocce silicee o calcaree e dolomiti, le degrada ed i carbonati prodotti dalla degradazione vengono trasportati dai fiumi agli oceani. Comunque vi arrivi,. lo ione carbonato in acqua, in presenza di calcio, forma il carbonato di calcio. Grazie alla bassa solubilità del carbonato di calcio ed all’azione di molti organismi marini che si costruiscono scheletri di carbonato di calcio, si realizza una “pompa oceanica” che rimuove la CO2 dall’atmosfera per depositarla in forma di carbonati nei sedimenti oceanici. Solo lentissimi movimenti di subduzione riportano il carbonio dei sedimenti nella crosta terrestre da cui ritornerà in atmosfera per l’attività di vulcani e fumarole.
Negli ultimi 10.000 anni, l’equilibrio fra i flussi naturali di carbonio aveva consentito di mantenere la concentrazione di CO2 in atmosfera attorno a valori 270 parti per milione in volume (ppm). A partire dalla fine del XVIII secolo, l’uomo ha mobilizzato il carbonio da riserve stabili (carbon fossile, petrolio) per rilasciarlo in atmosfera, inducendo un aumento delle concentrazioni atmosferiche di CO2 e CH4. L’incessante incremento della concentrazione di CO2 in atmosfera rappresenta uno dei cambiamenti ambientali globali in atto più preoccupanti per il futuro del nostro pianeta.
Il ciclo dell’azoto
Le molecole chiave della vita: acidi nucleici, proteine, clorofilla, tutte contengono azoto (N). Tuttavia l’azoto è presente sulla Terra, principalmente (3,9 Χ 1021 g), come azoto molecolare (N2) nell’atmosfera: una molecola inerte e non direttamente utilizzabile dalla maggior parte degli organismi viventi. Solo poche specie di procarioti (batteri e cianobatteri) sono in grado di effettuare la fissazione biologica dell’azoto , rendendolo disponibile per le piante ed i microrganismi. Anche l’energia liberata dai fulmini in atmosfera trasforma l’azoto in nitrato (NO3-) che si deposita sulle superfici di terre ed oceani.
Le piante, attraverso le radici, assorbono l’azoto dal suolo principalmente nelle sue forme minerali di ione nitrato ed ammonio (NH4+) e lo utilizzano per formare i loro costituenti organici. Gli animali fra cui l’uomo, assumono l’azoto ad essi indispensabile direttamente con la dieta (nelle proteine). I tessuti vegetali ed animali vanno incontro a decomposizione, ad opera di funghi e batteri, e l’azoto organico viene trasformato in ammoniaca (NH3). In condizioni di elevate produzioni, ad esempio in campi largamente concimati, l’ammoniaca dal suolo può liberarsi in atmosfera. Nella maggioranza dei casi, nella soluzione acquosa del suolo l’ammoniaca forma lo ione ammonio che viene o riassorbito dalle piante, o immobilizzato nella biomassa dei microrganismi o trasformato in nitrato da particolari batteri chemioautotrofi per ricavare energia durante il processo di nitrificazione. In condizioni di mancanza di ossigeno, il nitrato viene utilizzato da batteri denitrificanti e trasformato in N2 che ritorna in atmosfera, chiudendo il ciclo. Il nitrato, essendo molto solubile, può anche essere trasportato dall’acqua scorre attraverso il suolo verso la falda freatica e i corpi idrici. Durante i processi di nitrificazione e denitrificazione parte dell’azoto viene rilasciata in atmosfera sotto forma di protossido di azoto (N2O), un gas che contribuisce all’effetto serra. Accanto a questi processi naturali, numerose sono le alterazioni antropogeniche al ciclo dell’azoto, che stanno modificando in misura sostanziale la distribuzione dell’N nella biosfera.