flusso di energia negli ecosistemi
L'energia è la capacità di compiere lavoro e viene misurata in Joule (J).
L'energia non si consuma, ma si trasforma continuamente. Vi sono vari tipi di energia: radiante, chimica,
elettrica, potenziale, cinetica etc.
Il lavoro e il calore invece non sono forme di energia, ma due modi diversi di trasferire energia.
Riscaldare un oggetto significa trasferire energia cinetica alle sue molecole; il lavoro che si compie
sollevando una palla ha come effetto un aumento dell'energia potenziale della palla stessa. Durante ogni
trasformazione !'energia totale rimane sempre costante, in altre parole si conserva. Questa è la legge
di conservazione dell' energia o primo principio della termodinamica.
Il primo principio rappresenta quindi un concetto fondamentale, cioè che l'energia è sempre presente e
che la sua quantità totale deve conservarsi in qualunque processo. Non ci fornisce però nessuna
informazione sulla distribuzione dell' energia e sul verso delle sue trasformazioni: questo è !'argomento
del secondo principio della termodinamica.
Un processo chimico o fisico è spontaneo quando avviene senza interventi esterni. I processi spontanei
possono avvenire in un senso, ma non nel senso opposto. Consideriamo qualche esempio: una palla che
rimbalza alla fine si ferma, ma non succede mai che una palla immobile si metta improvvisamente a
rimbalzare. Un oggetto caldo si raffredda spontaneamente, ma è impossibile che un oggetto a
temperatura ambiente diventi improvvisamente caldo; per riscaldarlo è necessario fornirgli energia.
Consideriamo per un momento un blocco di metallo incandescente che si raffredda: il calore ceduto va a
riscaldare l'ambiente circostante e la somma dell' energia interna del blocco (che diminuisce) e dell'
ambiente (che aumenta) rimane costante, in accordo con il primo principio.
Andiamo ora a vedere cosa succede a livello atomico.
Il calore fornito in precedenza dalla fiamma durante il riscaldamento del blocco ha fatto aumentare
l'energia cinetica degli ioni del metallo; durante il raffreddamento, l'energia cinetica che era
concentrata nel blocco metallico viene ceduta alle molecole dell' aria, cioè viene dispersa in uno spazio
molto più grande. In altre parole si passa da uno stato più ordinato a uno meno ordinato.
In generale, in tutti i processi spontanei si determina una dispersione dell' energia. La quantità
totale di energia si conserva, ma essa si distribuisce in modo diverso. Il grado di dispersione dell'
energia. di un sistema può essere misurato per mezzo di una grandezza chiamata entropia. La misura
della variazione dell' entropia ci dice se un processo può avvenire spontaneamente oppure no. In una
trasformazione spontanea infatti si ha sempre aumento dell' entropia del sistema.
Se per sistema intendiamo l'Universo, possiamo affermare che la quantità totale del!' energia
dell'Universo rimane sempre costante (primo principio), ma ogni volta che ha luogo un processo
spontaneo !'entropia aumenta (secondo principio) e la qualità dell' energia diminuisce, nel senso che
assume forme sempre meno utilizzabili.
Una forma di energia è tanto più preziosa quanto si presta a essere trasformata in altre forme.
L'energia elettrica ad esempio è molto preziosa perché può essere facilmente trasformata in energia
cinetica nei motori elettrici, in calore nelle stufe e in energia luminosa nelle lampadine. Al contrario,
l'energia luminosa emessa dalle città soprattutto di notte, che è quasi tutta di origine elettrica, è di
fatto inutilizzabile; infatti non esiste alcun metodo efficace per riconvertirla in energia elettrica.
Abbiamo visto che i processi spontanei tendono a far aumentare la dispersione e il disordine. Gli esseri
viventi si oppongono a questa tendenza, nel senso che cercano di darsi una struttura ordinata. Ad
esempio, la sintesi di una proteina a partire dai singoli aminoacidi che la costituiscono rappresenta
una diminuzione locale del disordine.
gli ecosistemi e l'energia
Gli ecosistemi possono essere considerati sistemi termodinamici, perché sono attraversati da un flusso
di energia che ha inizio con la fotosintesi. Durante questo processo, due comuni composti inorganici,
l'acqua e l'anidride carbonica, si uniscono per formare glucosio. Contemporaneamente si ha liberazione
di ossigeno nell' atmosfera. L'organicazione del carbonio non è un processo spontaneo; infatti, per
avvenire ha bisogno di energia proveniente dal Sole sotto forma di radiazione elettromagnetica. Le
piante quindi catturano l'energia luminosa e la convertono nell'energia dei legami chimici presenti nei
carboidrati. (vedi anche...)
Dalle piante l'energia viene trasferita agli erbivori e poi ai carnivori sotto forma dei composti organici
presenti negli alimenti. L'animale demolirà le molecole ad alto contenuto energetico assunte attraverso
il cibo e userà questa energia per svolgere i propri processi metabolici; una parte verrà dissipata come
calore. Piante e animali vivono quindi in modo strettamente collegato, e dal punto di vista termodinamico
rappresentano dei trasformatori di energia. Il flusso di energia che attraversa ogni ecosistema è
correlato ai cicli biogeochimici, perché si basano entrambi sul trasferimento di sostanze attraverso le
varie componenti trofiche dell' ecosistema. Gli esseri viventi infatti sono sistemi aperti, che scambiano
continuamente materia ed energia con l'ambiente. Tuttavia, poiché a differenza della materia l'energia
dissipata non può essere riciclata, un ecosistema deve essere rifornito da un flusso continuo di nuova
energia proveniente dal Sole. Ogni organismo, dal più semplice al più complesso, si può quindi
considerare parte di un sistema organizzato in strutture molecolari e cellulari, comunità viventi,
ecosistemi, fino alla biosfera e al sistema solare.
le catene e le reti alimentari
Tutti gli esseri viventi richiedono materia per la loro costruzione ed energia per la loro attività.
Cercheremo di capire il modo in cui l'energia e la materia vengono elaborate dalla comunità.
I corpi degli organismi viventi in un'unità di superficie costituiscono la biomassa, che si misura in g/m2.
La biomassa è distinta in fitomassa e zoomassa, rispettivamente l'insieme degli organismi vegetali e
l'insieme degli organismi animali della biocenosi.
Abbiamo già visto che i vegetali, tramite la fotosintesi clorofilliana, possono utilizzare l'energia
luminosa e la sostanza inorganica per sintetizzare materia organica, cioè per produrre biomassa.
Le piante dunque sono da considerarsi il primo anello della catena alimentare: la catena alimentare è
costituita da una serie di organismi in cui ciascuno si nutre del precedente ed è a sua volta fonte di
nutrimento per il successivo.
[ES: un prato di trifoglio è il primo elemento di una catena alimentare. Esso è il cibo preferito per le
cavallette che a loro volta costituiscono il cibo di alcuni uccelli come le cinciallegre che sono predate e
mangiate dal falco. Alla sua morte il falco viene degradato e da batteri decompositori che, in questo
caso sono colonie di serratia.]
In realtà è più giusto parlare di rete alimentare, in quanto le relazioni alimentari fra i componenti
non sono lineari. Infatti un organismo o anello di una catena alimentare può appartenere anche ad altre
catene, formando un reticolo trofico.
A seconda del loro modo di procurarsi il nutrimento, gli organismi di una comunità possono essere
divisi in produttori, consumatori e decompositori.
Nell'esempio precedente saremo in grado di inserire ciascun essere vivente come appartenente ad
uno dei seguenti livelli trofici
livelli trofici
I PRODUTTORI sono il primo anello della catena alimentare e sono costituiti dagli organismi autotrofi
come piante, alghe e batteri fotosintetici, come
sappiamo, essi sono in grado di sintetizzare tutte le
molecole organiche di cui necessitano per la propria
sopravvivenza partendo da sostanze inorganiche
semplici (acqua, anidride carbonica, sali minerali) ed
energia solare; al tempo stesso, essi rappresentano
una fonte di nutrimento per tutti gli altri organismi.
Per questo, i produttori rappresentano il primo
livello di nutrizione, ovvero il primo livello trofico
dell' ecosistema. I produttori delle catene
alimentari terrestri sono rappresentati dalle piante,
mentre negli ecosistemi acquatici sono rappresentati dal fitoplancton (alghe unicellulari autotrofe).
I CONSUMATORI sono organismi animali (eterotrofi). Essi vivono utilizzando sostanze organiche già
prodotte, non essendo in grado di sintetizzarle autonomamente. I consumatori possono essere distinti
in almeno tre ordini:
-
consumatori di primo ordine, che vivono direttamente a spese dei produttori (gli erbivori);
consumatori di secondo ordine, che si nutrono dei consumatori di primo
ordine: sono i carnivori che si nutrono di erbivori;
- consumatori di terzo ordine, che si nutrono dei consumatori di secondo ordine: sono i carnivori
che si nutrono di altri carnivori.
Se i produttori rappresentano il primo livello trofico dell' ecosistema, i consumatori di primo, secondo e
terzo ordine rappresentano rispettivamente il secondo, terzo e quarto livello trofico.
I DECOMPOSITORI sono organismi eterotrofi che si nutrono di rifiuti organici e di organismi morti;
provenienti da tutti i precedenti livelli trofici. I funghi e i batteri sono esempi di decompositori tra i
più diffusi; essi demoliscono e trasformano le sostanze organiche dei corpi morti delle piante e degli
animali in sostanze inorganiche, rendendole nuovamente disponibili. I decompositori hanno perciò
un'azione inversa a quella dei produttori: i produttori svolgono l'organicazione, i decompositori la
mineralizzazione, chiudendo il ciclo della materia nell' ecosistema.
Nei diversi ecosistemi, pur variando gli organismi, non cambia la sequenza trofica. Infatti i
produttori costituiscono sempre il primo livello, i consumatori costituiscono i tre livelli trofici
successivi, mentre i decompositori utilizzano gli scarti e i residui di tutti i livelli precedenti.
Questo continuo riciclo della materia permette la sopravvivenza degli ecosistemi. Infatti, se i
decompositori non trasformassero i resti degli organismi viventi, l'ambiente sarebbe ingombro di
rifiuti: verrebbe a mancare lo spazio per le nuove generazioni e anche, con il tempo, il nutrimento per i
produttori.
Le risorse di materia sulla Terra sono limitate e per questo la sopravvivenza degli ecosistemi è
possibile solo se queste risorse sono rese continuamente disponibili. I cicli biogeochimici quindi sono
fondamentali perché consentono il passaggio continuo dalla materia inorganica delle rocce, dell' acqua e
dell' atmosfera alla materia organica degli organismi viventi.
