Ecologia PDF: Le proprietà emergenti e collettive

LEZIONE 1 lunedì 30 settembre 2024 16:12 Ecologia = nome deriva dal greco "oikos" + "logos" --> discorso sulla casa - In questo senso l’ecologia si configura come lo studio del posto in cui viviamo. - Oggi c’è una parte dell’ecologia che tratta di come l’uomo ha degradato gli ecosistemi. - È u...

LEZIONE 1 lunedì 30 settembre 2024 16:12 Ecologia = nome deriva dal greco "oikos" + "logos" --> discorso sulla casa - In questo senso l’ecologia si configura come lo studio del posto in cui viviamo. - Oggi c’è una parte dell’ecologia che tratta di come l’uomo ha degradato gli ecosistemi. - È una scienza che tratta aspetti quantitativi e qualitativi di base legati a processi energetici principalmente che garantiscono la creazione di una popolazione, di una comunità biologica e il mantenimento di essa. ○ Garantiscono anche la ciclizzazione di elementi che sono fondamentali per le piante; ad esempio i concimi contengono solitamente azoto, fosforo, potassio → un sistema virtuoso e naturale trova i suoi meccanismi per autoconcimarsi § Per esempio l’azoto può essere ottenuto dalle piante tramite simbiosi con batteri come rizobatteri (batteri presenti nella radice di leguminose e molte altre piante). § L’azoto non solo fertilizza le piante ma permette anche l’esplosione di fitoplancton dell’oceano. - L'ecologia è dunque una scienza che studia in maniera qualitativa e quantitativa ○ Le interazioni che determinano la distribuzione e l'abbondanza degli organismi in un particolare ambiente. § Si ha anche una grande un’attenzione per la parte non vivente, che è fondamentale per garantire l’esistenza di una componente vivente. § L’ecologia potrebbe essere descritta come interazione tra la componente vivente e quella non vivente che sono presenti in un ecosistema. ○ Gli stati stazionari di processi e funzioni naturali che emergono da un Sistema Complesso di "items" animati (biota) e inanimati (habitat) § Questa definizione di sistema complesso deriva dalla fisica □ Un Sistema Complesso è un sistema multicomponente che come prerogativa ha quella di essere un sistema aperto = deve essere in grado di scambiare energia e materia con l'universo, cioè quello che si trova fuori dal sistema Gerarchie ed emergenza, i livello di organizzazione fisica - L’emergenza è un fenomeno tipico dei sistemi complessi --> per cui da una serie di elementi interagenti di un sottosistema, otteniamo un sovrasistema (otteniamo quindi un sistema nuovo con caratteristiche uniche che gli elementi del sottosistema non avevano). - L'interazione di ogni livello gerarchico con l'ambiente fisico (energia e materia) a ciascun livello, produce sistemi funzionali caratteristici ○ Introdotto quindi il concetto di complessità del sistema - Emergenza significa venire su ed è tipica dei sistemi gerarchici --> i sistemi biologici è la miglior rappresentazione di un sistema complesso, energetico e gerarchico. - Gerarchia = disposizione entro una serie ordinata ○ In una gerarchia si hanno diversi sottosistemi che evolvono --> si parla di sistema energetico § Si passa da un miscuglio di molecole contenute all'interno della membrana cellulare § Ad una successiva organizzazione di organelli § Ad una struttura più organizzata come la cellula § Ad un livello superiore chiamata tessuto, poi organi e l'insieme di organi forma un individuo § Ad una successiva struttura chiamata popolazione § Ad una successiva organizzazione chiamata comunità § All'ecosistema che è il punto di arrivo ○ La vita inizia con il primo ecosistema = un insieme di fosfolipidi che isolano ambiente interno da ambiente esterno § Prima non si poteva parlare di vita, perché non c'erano sistemi § Salti evolutivi = non tutti sono stati naturali, alcuni sono avvenuti per simbiosi (esempio del mitocondrio inglobato nella cellula) □ Simbiosi considerata il massimo dell'interazione possibile tra due organismi --> dogma dell'ecologia - Un sistema complesso consiste di componenti interdipendenti che regolarmente interagiscono e che formano un tutt'uno - Comunità biologica e ambiente fisico = SISTEMA ECOLOGICO o ECOSISTEMA - Probabilmente stiamo vivendo la sesta estinzione di massa senza saperlo in quanto il tasso di estinzione presente adesso è circa 100 volte superiore ai tassi di estinzione presenti nella media delle estinzioni di massa precedenti - I servizi ecosistemici sono quindi i prodotti degli ecosistemi e l’ecosistema fornisce la base della nostra vita (ma anche dal punto di vista economico). ○ La maggior parte degli ambienti, soprattutto gli ecosistemi mediterranei, che conosciamo oggi sono in realtà “artificiali” in quanto si sono formati dopo aver perso la fisiologia naturale iniziale § Es. La rivoluzione neolitica, 12500 anni fa, ha disboscato l’Europa in maniera scientifica e dal neolitico in avanti la fisionomia del mondo è stata cambiata perché sono stati cambiati gli ecosistemi primari. § Se le api smettessero di impollinare le piante per 4 anni ci sarebbe il collasso del sistema biologico→ l’impollinazione degli insetti è alla base della formazione degli ambienti naturali anche dal punto di vista di carattere produttivo. - I sistemi complessi sono sistemi aperti ○ I sistemi aperti: § Scambiano materia ed energia § Sono dei sistemi multicomponenti→ basterebbero anche 10-20 componenti per fare migliaia di interazioni (bisogna utilizzare la regola del n!) § Sono interagenti→ si possono avere interazioni biologiche, molecolari, ecc... § Sono sistemi biologici e sono quindi ecosistemi § I sistemi complessi sono auto-assemblanti (l’auto-assemblamento crea strutture coerenti ovvero che hanno senso). - Il sistema complesso è una struttura auto-assemblante ordinato e dissipativo→ molti sistemi dissipano l’entropia ovvero il disordine verso l’ambiente esterno, questa dissipazione permette al sistema di essere ordinato. - Quindi la dissipazione di entropia permette che gli elementi del sistema assumano stato emergente ovvero uno stato più ordinato (favorito dal principio termodinamico). - Infine i sistemi biologici/complessi sono anisotropi ovvero direzionali. ○ Un esempio è l’instabilità di Benard di come l'instabilità di uno stato stazionario dia luogo a un fenomeno di auto-organizzazione spontanea § Le celle di Bénard sono strutture che si formano in uno strato sottile di un liquido quando da uno stato di riposo ed equilibrio termodinamico viene riscaldato dal basso con un flusso costante di calore. § Raggiunta una soglia critica di temperatura, alla conduzione del calore subentrano dei moti convettivi di molecole che si muovono coerentemente formando delle strutture a celle esagonali (ad “alveare”). Le proprietà emergenti e collettive - Nell'organizzazione gerarchica quando dei componenti o dei sub insiemi si combinano per produrre un più grande insieme funzionale, ne emergono nuove proprietà che non erano presenti al livello immediatamente precedente ○ Proprietà emergente non può essere prevista immediatamente dallo studio delle componenti del livello precedente che l'ha generata - Le proprietà emergenti sono quindi proprietà non riducibili --> le proprietà dell'insieme che non sono riconducibili alla somma delle proprietà delle singole parti - Si deve utilizzare sia un approccio olistico (che riguarda il tutto) ma anche una combinazione di approcci riduzionistici. - Le proprietà collettive invece possono desumere dallo studio dei singoli componenti e dalle loro interazioni quindi rappresentano la sommatoria degli effetti delle singole componenti. - Ci sono numerosi esempi di emergenza in natura (non solo biologici). ○ Un esempio è dato dalla formazione di uragano, esso è un sistema complesso formato da miliardi di molecole d’aria e acqua, che interagiscono tra di loro in un feedback positivo (ovvero che può aumentare l’energia potenziale) grazie al vento, umidità e forza di Coriolis. ○ Un ulteriore esempio di coerenza (in questo caso non ecologico ma biologico) è la funzione di una proteina § Ad esempio la funzione di un enzima è un lavoro che si ottiene dall’assemblaggio di una serie di molecole (amminoacidi) per ottenere una struttura termodinamicamente favorita. § Una ripetizione di aminoacidi costituisce, infatti, la struttura primaria di una proteina e conferisce proprietà di emergenza al sistema. § Le caratteristiche specifiche di un polipeptide (ad es. attività catalitica) non sono semplicemente dovute alla sommatoria di ogni caratteristica di un aminoacido, ma è una nuova proprietà coerente. Ecosistema - È un'unità che include: ○ Tutti gli organismi che vivono insieme in una data area, interagenti con l'ambiente fisico in modo tale che il flusso di energia che attraversa il sistema porti ad una struttura biotica definita ed una ciclizzazione dei materiali tra viventi e non viventi all'interno del biosistema e che permetta l'autosostentamento dell'ecosistema stesso - Il flusso di energia attraversa il sistema da una parte definita a un’altra, e questa energia dovrà avere una sorgente e una destinazione. - Gli elementi di un sistema: spazio, piante, confini (non sempre facili da identificare→ lo studio che si occupa di identificare i confini di un paesaggio è l’ecologia del paesaggio), animali. - Un ambiente non animato è importante tanto quanto uno animato→ sono le piante che definiscono un ecosistema e quasi mai gli animali. - Gli organismi viventi e il loro ambiente non vivente (abiotico) sono legati in modo inseparabile ed interagiscono reciprocamente. - Le piante sono quelle che definiscono l’ambiente --> un ambiente è sempre influenzato dagli organismi che lo occupano. - L’interazione tra specie viventi e ambiente è così connessa che c’è un continuo plasmarsi della fisionomia dell’ecosistema→ l’ecosistema si plasma grazie al rapporto tra il non vivente e il vivente che si forma su di esso. - L'’ecosistema è l’unità fondamentale dello studio dell’ecologia (alcuni autori partono dall’individuo o Smith ad esempio parte dalla popolazione). - Il confine può essere mobile e l’ecologia del paesaggio è infatti basata sulla transizione tra un ecosistema e l’altro. - Potremmo vedere tutti gli ecosistemi presenti sulla terra come un ecosistema unico→ in questo caso si parla di biosfera o ecosfera (sono tutti quegli ecosistemi o ambienti della terra dove è possibile la vita). - Questa affermazione della presenza di un ecosistema totale era sostenuta da James Lovelock che sviluppò “l’ipotesi GAIA” dove la terra è un sistema cibernetico che reagisce a certi stimoli. - Un’altra studiosa importante, soprattutto per la teoria dell’endosimbiosi, è Margulis. - Quindi, per riassumere, i componenti fondamentali di un ecosistema sono: ○ Lo spazio fisico→ il confine, include anche le condizioni atmosferiche e climatiche (anche se queste ultime sono il frutto di una interazione tra animato e inanimato come ad esempio gli scambi gassosi delle piante che influenzano l’atmosfera, fino al clima) ○ Il flusso di energia→ tipi di energia (come quella solare che è la più importante, produzione ecologica (trasferimenti di energia), Catene e Reti Trofiche, Popolazioni e comunità biologiche ○ I materiali→ ciclo dei nutrienti (O, N, P, S, ecc) - Definizione dei fratelli Odum ○ Introdotto il concetto di energia --> che permetta l'esistenza dell'ecosistema in modo che esso possa definirsi tramite il concetto di comunità biologica --> no comunità biologica no ecosistema ○ Uno dei processi che permetta autosostentamento del sistema è ciclizzazione dei materiali --> elementi specifici della tavola periodica (N, S, C, Fe) § Quelli che sono parte integrante della sostanza organica vivente § Non hanno l'aspetto della sostanza organica - Secondo Russell la vita è iniziata quando un'entità fisica è stata in grado di organificare la CO2 in formaldeide - Secondo Eric Smith invece esiste un unico grande organismo che è il nostro pianeta --> quindi i sistemi viventi e i sistemi che si collocano nella biosfera o ecosfera (dove la vita è possibile) altro non sono che dei residui di ferro che fuoriescono dal centro del nostro pianeta (grazie a dei moti convettivi) fino a raggiungere la crosta terrestre per creare la vita ○ Gli ecosistemi dunque non sono altro che accettori di elettroni - Secondo questi scienziati quindi la vita è il risultato di diversi processi geochimici ○ Ogni cellula ha ereditato il gradiente elettrochimico da questi processi geochimici - Tutti gli ecosistemi convenzionalmente riconosciuti sono basati sull'energia solare in quanto alimentati da essa - Tuttavia esistono ecosistemi non alimentati dall'energia solare, che sono comunque complessi e ricchi in biomassa ○ Se si riesce a mantenere un flusso energetico capace di sostenere le funzioni dell'ecosistema, si riesce a mantenere l'ambiente biodiverso § Le funzioni fondamentali dell'ecosistema sono: 1. Produrre energia --> da parte di un gruppo di organismi che nell'ecosistema ha la stessa funzione (es: piante, alghe ecc) ® Questa forma di energia non sempre è la luce, che è un'energia fisica --> ma è energia chimica (es: idrogeno, prodotti dello zolfo, ammoniaca ecc) ® Ammoniaca e acido solfidrico hanno in comune il fatto di essere molto ridotti --> quindi sono ottime molecole per far funzionare i sistemi biologici sotto forma di energia (in questo caso diluita) che necessita di un accettore particolare, che la lavori e la distribuisca 2. Sostenere la sintesi della materia tramite l'energia = consumare energia --> grazie ad un gruppo di organismi che nell'ecosistema ha la stessa funzione (es. consumatori primari, secondari, ecc) 3. Riciclare energia e immetterla nuovamente nell'ecosistema --> grazie ad un gruppo di organismi che nell'ecosistema ha la stessa funzione (es. decompositori)