Biology for Majors II (Italiano)

Distinguere tra componenti abiotiche e biotiche dellambiente

Molte forze influenzano le comunità di organismi viventi presenti in diverse parti della biosfera ( tutte le parti della Terra abitate dalla vita). La biosfera si estende nellatmosfera (diversi chilometri sopra la Terra) e nelle profondità degli oceani. Nonostante la sua apparente vastità per un individuo umano, la biosfera occupa solo un minuto di spazio rispetto alluniverso conosciuto. Molte forze abiotiche influenzano dove può esistere la vita e i tipi di organismi che si trovano in diverse parti della biosfera. I fattori abiotici influenzano la distribuzione del clima, della flora e della fauna.

Biogeografia

Biogeografia è lo studio della distribuzione geografica degli esseri viventi e dei fattori abiotici che influenzano la loro distribuzione. I fattori abiotici come la temperatura e le precipitazioni variano in base principalmente alla latitudine e allaltitudine. Quando questi fattori abiotici cambiano, cambia anche la composizione delle comunità vegetali e animali. Ad esempio, se dovessi iniziare un viaggio allequatore e camminare verso nord, noteresti cambiamenti graduali nelle comunità vegetali. Allinizio del tuo viaggio, vedresti foreste umide tropicali con alberi sempreverdi a foglia larga, che sono caratteristici delle comunità vegetali che si trovano vicino allequatore. Continuando a viaggiare verso nord, vedresti queste piante sempreverdi a foglia larga alla fine dare origine a foreste stagionalmente secche con alberi sparsi. Inizieresti anche a notare cambiamenti di temperatura e umidità. A circa 30 gradi nord, queste foreste lascerebbero il posto ai deserti, caratterizzati da scarse precipitazioni.

Spostandosi più a nord, vedresti che i deserti sono sostituiti da praterie o praterie. Alla fine, le praterie vengono sostituite da foreste temperate decidue. Queste foreste decidue lasciano il posto alle foreste boreali che si trovano nel subartico, larea a sud del Circolo Polare Artico. Infine, raggiungeresti la tundra artica, che si trova alle latitudini più settentrionali. Questo viaggio verso nord rivela cambiamenti graduali sia nel clima che nei tipi di organismi che si sono adattati ai fattori ambientali associati agli ecosistemi che si trovano a diverse latitudini. Tuttavia, esistono ecosistemi diversi alla stessa latitudine a causa in parte di fattori abiotici come le correnti a getto, la Corrente del Golfo e le correnti oceaniche. Se dovessi scalare una montagna, i cambiamenti che vedresti nella vegetazione sarebbero paralleli a quelli quando ti sposti a latitudini più alte.

Distribuzione delle specie

Gli ecologi che studiano la biogeografia esaminano i modelli di distribuzione delle specie. Nessuna specie esiste ovunque; per esempio, la Venere acchiappamosche è endemica in una piccola area del Nord e del Sud Carolina. Una specie endemica è quella che si trova naturalmente solo in una specifica area geografica che di solito è di dimensioni limitate. Altre specie sono generaliste: specie che vivono in unampia varietà di aree geografiche; il procione, ad esempio, è originario della maggior parte dellAmerica settentrionale e centrale.

I modelli di distribuzione delle specie si basano su fattori biotici e abiotici e sulle loro influenze durante i periodi di tempo molto lunghi richiesti per levoluzione delle specie; pertanto, i primi studi di biogeografia erano strettamente collegati allemergere del pensiero evolutivo nel diciottesimo secolo. Alcuni degli assemblaggi più caratteristici di piante e animali si trovano in regioni che sono state fisicamente separate per milioni di anni da barriere geografiche. I biologi stimano che lAustralia, ad esempio, abbia tra 600.000 e 700.000 specie di piante e animali. Circa 3/4 delle specie di piante e mammiferi viventi sono specie endemiche presenti esclusivamente in Australia (Figura 1).

Figura 1. LAustralia ospita molte specie endemiche. Il (a) wallaby (Wallabia bicolor), un membro di medie dimensioni della famiglia dei canguri, è un mammifero marsupiale o marsupiale. La (b) echidna (Tachyglossus aculeatus) è un mammifero che depone le uova. (credito a: modifica del lavoro di Derrick Coetzee; credito b: modifica del lavoro di Allan Whittome)

A volte gli ecologi scoprono modelli unici di distribuzione delle specie determinando dove non si trovano le specie. Le Hawaii, ad esempio, non hanno specie terrestri native di rettili o anfibi e hanno un solo mammifero terrestre nativo, il pipistrello canuto. La maggior parte della Nuova Guinea, come altro esempio, manca di mammiferi placentari.

Le piante possono essere endemiche o generaliste: le piante endemiche si trovano solo su regioni specifiche della Terra, mentre le piante generaliste si trovano in molte regioni. Le masse di terra isolate, come lAustralia, le Hawaii e il Madagascar, hanno spesso un gran numero di specie vegetali endemiche. Alcune di queste piante sono in pericolo a causa dellattività umana. La gardenia forestale (Gardenia brighamii), ad esempio, è endemica delle Hawaii; si stima che esistano solo 15-20 alberi.

Fonti di energia

Figura 2. La bellezza primaverile è una pianta primaverile effimera che fiorisce allinizio della primavera per evitare di competere con alberi forestali più grandi per la luce solare. (credit: John Beetham)

Lenergia del sole viene catturata da piante verdi, alghe, cianobatteri e protisti fotosintetici. Questi organismi convertono lenergia solare nellenergia chimica necessaria a tutti gli esseri viventi. La disponibilità di luce può essere una forza importante che influenza direttamente levoluzione degli adattamenti nei fotosintetizzatori. Ad esempio, le piante nel sottobosco di una foresta temperata sono ombreggiate quando gli alberi sopra di loro nella chioma sfoglia completamente nella tarda primavera. Non sorprende che le piante sottostanti abbiano adattamenti per catturare con successo la luce disponibile. Uno di questi adattamenti è la rapida crescita delle piante effimere primaverili come la bellezza primaverile (Figura 2). Questi fiori primaverili raggiungono gran parte della loro crescita e terminano il loro ciclo vitale (si riproducono) allinizio della stagione prima che gli alberi nella chioma sviluppino le foglie.

Negli ecosistemi acquatici, la disponibilità di luce può essere limitata perché la luce solare è assorbito da acqua, piante, particelle sospese e microrganismi residenti. Verso il fondo di un lago, stagno o oceano, cè una zona che la luce non può raggiungere. La fotosintesi non può aver luogo lì e, di conseguenza, si sono evoluti numerosi adattamenti che consentono agli esseri viventi di sopravvivere senza luce. Ad esempio, le piante acquatiche hanno tessuto fotosintetico vicino alla superficie dellacqua; per esempio, pensa alle larghe foglie galleggianti di una ninfea: le ninfee non possono sopravvivere senza luce. In ambienti come le prese daria idrotermali, alcuni batteri estraggono energia da sostanze chimiche inorganiche perché non cè luce per la fotosintesi.

Figura 3. La risalita oceanica è un processo importante che ricicla i nutrienti e lenergia nelloceano. Quando il vento (frecce verdi) spinge al largo, fa sì che lacqua dal fondo delloceano (frecce rosse) si sposti verso la superficie, portando i nutrienti dalle profondità delloceano.

La disponibilità di nutrienti in Anche i sistemi acquatici sono un aspetto importante dellenergia o della fotosintesi. Molti organismi affondano sul fondo delloceano quando muoiono in mare aperto; quando ciò si verifica, lenergia trovata in quellorganismo vivente viene sequestrata per un po di tempo a meno che non si verifichi una risalita delloceano. Il risveglio oceanico è linnalzamento delle acque oceaniche profonde che si verifica quando i venti dominanti soffiano lungo le acque superficiali vicino a una costa (Figura 3). Mentre il vento spinge le acque delloceano al largo, lacqua dal fondo delloceano si alza per sostituire questacqua. Di conseguenza, i nutrienti una volta contenuti negli organismi morti diventano disponibili per il riutilizzo da parte di altri organismi viventi.

Nei sistemi di acqua dolce, il riciclaggio dei nutrienti avviene in risposta ai cambiamenti di temperatura dellaria. I nutrienti sul fondo dei laghi vengono riciclati due volte allanno: in primavera e in autunno il turnover. Il turnover primaverile e autunnale è un processo stagionale che ricicla i nutrienti e lossigeno dal fondo di un ecosistema di acqua dolce alla parte superiore di un corpo idrico. Questi ribaltamenti sono causati dalla formazione di un termoclino: uno strato di acqua con una temperatura notevolmente diversa da quella degli strati circostanti. In inverno, la superficie dei laghi che si trovano in molte regioni settentrionali è ghiacciata. Tuttavia, lacqua sotto il ghiaccio è leggermente più calda e lacqua sul fondo del lago è ancora più calda a una temperatura compresa tra 4 ° C e 5 ° C (39,2 ° F e 41 ° F). Lacqua è più densa a 4 ° C; quindi, lacqua più profonda è anche la più densa. Lacqua più profonda è povera di ossigeno perché la decomposizione del materiale organico sul fondo del lago consuma ossigeno disponibile che non può essere sostituito mediante diffusione di ossigeno nellacqua a causa dello strato di ghiaccio superficiale.

Figura 4. I turni primaverili e autunnali sono processi importanti nei laghi dacqua dolce che agiscono per spostare i nutrienti e lossigeno sul fondo dei laghi profondi allinizio. Il fatturato avviene perché lacqua ha una densità massima a 4 ° C. La temperatura dellacqua superficiale cambia con il progredire delle stagioni e lacqua più densa affonda.

In primavera, le temperature dellaria aumentano e il ghiaccio superficiale si scioglie. Quando la temperatura dellacqua in superficie inizia a raggiungere i 4 ° C, lacqua diventa più pesante e affonda sul fondo. Lacqua sul fondo del lago viene quindi spostata dallacqua superficiale più pesante e, quindi, sale verso lalto. Quando lacqua sale verso lalto, i sedimenti e le sostanze nutritive dal fondo del lago vengono portati con sé. Durante i mesi estivi, lacqua del lago si stratifica, o forma strati di temperatura, con lacqua più calda sulla superficie del lago.

Quando la temperatura dellaria scende in autunno, la temperatura dellacqua del lago si raffredda a 4 ° C C; quindi, questo causa un ribaltamento di caduta quando lacqua fredda pesante affonda e sposta lacqua sul fondo. Lacqua ricca di ossigeno sulla superficie del lago si sposta quindi sul fondo del lago, mentre i nutrienti sul fondo del lago salgono in superficie. Durante linverno, lossigeno sul fondo del lago viene utilizzato da decompositori e altri organismi che richiedono ossigeno, come i pesci.

Temperatura

Figura 5. Questa colorata sorgente termale nel Parco nazionale di Yellowstone, situata nel Midway Geyser Basin, è la più grande sorgente termale degli Stati Uniti e la terza più grande del mondo. Il suo colore intenso è il risultato di organismi termofili che vivono lungo i bordi della sorgente termale,

La temperatura influisce sulla fisiologia degli esseri viventi, nonché sulla densità e sullo stato dellacqua. La temperatura esercita uninfluenza importante sugli esseri viventi perché pochi esseri viventi possono sopravvivere a temperature inferiori a 0 ° C (32 ° F) a causa di vincoli metabolici. È anche raro che gli esseri viventi sopravvivano a temperature superiori a 45 ° C (113 ° F); questo è un riflesso della risposta evolutiva alle temperature tipiche. Gli enzimi sono più efficienti entro un intervallo ristretto e specifico di temperature; la degradazione enzimatica può verificarsi a temperature più elevate. Pertanto, gli organismi devono mantenere una temperatura interna o devono abitare in un ambiente che manterrà il corpo entro un intervallo di temperatura che supporta il metabolismo. Alcuni animali si sono adattati per consentire ai loro corpi di sopravvivere a significative fluttuazioni di temperatura, come quelle osservate in letargo o nel torpore dei rettili. Allo stesso modo, alcuni batteri sono adattati per sopravvivere a temperature estremamente calde come i geyser. Questi batteri sono esempi di estremofili: organismi che prosperano in ambienti estremi.

La temperatura può limitare la distribuzione degli esseri viventi. Gli animali che devono affrontare le fluttuazioni di temperatura possono rispondere con adattamenti, come la migrazione, per sopravvivere. La migrazione, il movimento da un luogo a un altro, è un adattamento che si trova in molti animali, compresi molti che abitano climi stagionalmente freddi. La migrazione risolve i problemi legati alla temperatura, alla localizzazione del cibo e alla ricerca di un compagno. Durante la migrazione, ad esempio, la Sterna artica (Sterna paradisaea) compie un volo di andata e ritorno di 40.000 km (24.000 miglia) ogni anno tra le sue zone di alimentazione nellemisfero meridionale e le sue zone di riproduzione nellOceano Artico. Le farfalle monarca (Danaus plexippus) vivono negli Stati Uniti orientali nei mesi più caldi e migrano in Messico e negli Stati Uniti meridionali durante linverno. Alcune specie di mammiferi compiono anche incursioni migratorie. Le renne (Rangifer tarandus) percorrono circa 5.000 km (3.100 mi) ogni anno per trovare cibo. Anfibi e rettili sono più limitati nella loro distribuzione perché mancano di capacità migratorie. Non tutti gli animali che possono migrare lo fanno: la migrazione comporta dei rischi e ha un costo energetico elevato.

Figura 6. Gli scoiattoli vanno in letargo per linverno, ma escono dal sonno ogni pochi giorni per mangiare.

Alcuni animali vanno in letargo o estivano per sopravvivere a temperature ostili. Libernazione consente agli animali di sopravvivere a condizioni fredde e lestivazione consente agli animali di sopravvivere alle condizioni ostili di un clima caldo e secco. Gli animali che ibernano o estivano entrano in uno stato noto come torpore: una condizione in cui il loro tasso metabolico è significativamente abbassato. Ciò consente allanimale di attendere che il suo ambiente supporti meglio la sua sopravvivenza. Alcuni anfibi, come la rana di legno (Rana sylvatica), hanno nelle loro cellule una sostanza chimica simile a un antigelo, che mantiene lintegrità delle cellule e impedisce loro di scoppiare.

Fattori abiotici che influenzano la crescita delle piante

La temperatura e lumidità influiscono in modo importante sulla produzione vegetale (produttività primaria) e sulla quantità di materia organica disponibile come alimento (produttività primaria netta).La produttività primaria netta è una stima di tutta la materia organica disponibile come alimento; è calcolato come la quantità totale di carbonio fissata allanno meno la quantità che viene ossidata durante la respirazione cellulare. Negli ambienti terrestri, la produttività primaria netta è stimata misurando la biomassa fuori terra per unità di superficie, che è la massa totale delle piante viventi, escluse le radici. Ciò significa che una grande percentuale di biomassa vegetale che esiste nel sottosuolo non è inclusa in questa misurazione. La produttività primaria netta è una variabile importante quando si considerano le differenze nei biomi. I biomi molto produttivi hanno un alto livello di biomassa fuori terra.

La produzione annuale di biomassa è direttamente correlata alle componenti abiotiche dellambiente. Gli ambienti con la maggior quantità di biomassa presentano condizioni in cui la fotosintesi, la crescita delle piante e la risultante produttività primaria netta sono ottimizzate. Il clima di queste zone è caldo e umido. La fotosintesi può procedere ad alta velocità, gli enzimi possono lavorare in modo più efficiente e gli stomi possono rimanere aperti senza il rischio di uneccessiva traspirazione; insieme, questi fattori portano alla quantità massima di anidride carbonica (CO2) che si sposta nellimpianto, con conseguente elevata produzione di biomassa. La biomassa fuori terra produce molte importanti risorse per altri esseri viventi, inclusi habitat e cibo. Al contrario, ambienti asciutti e freddi hanno tassi fotosintetici inferiori e quindi meno biomassa. Anche le comunità animali che vivono lì saranno influenzate dalla diminuzione del cibo disponibile.

Nutrienti inorganici e suolo

I nutrienti inorganici, come azoto e fosforo, sono importanti nella distribuzione e nel abbondanza di cose viventi. Le piante ottengono questi nutrienti inorganici dal terreno quando lacqua entra nella pianta attraverso le radici. Pertanto, la struttura del suolo (dimensione delle particelle dei componenti del suolo), il pH del suolo e il contenuto di nutrienti del suolo svolgono un ruolo importante nella distribuzione delle piante. Gli animali ottengono nutrienti inorganici dal cibo che consumano. Pertanto, le distribuzioni degli animali sono correlate alla distribuzione di ciò che mangiano. In alcuni casi, gli animali seguiranno le loro risorse alimentari mentre si muovono nellambiente.

Acqua

Lacqua è richiesta da tutti gli esseri viventi perché è fondamentale per i processi cellulari. Poiché gli organismi terrestri perdono acqua nellambiente per semplice diffusione, hanno sviluppato molti adattamenti per trattenere lacqua.

• Gli animali saranno coperti da una pelle o cuticola oleosa o cerosa per trattenere lumidità.
• Le piante hanno una serie di caratteristiche interessanti sulle foglie, come i peli delle foglie e una cuticola cerosa, che servono a diminuire il tasso di perdita di acqua attraverso la traspirazione.

Organismi circondati da lacqua non è immune allo squilibrio idrico; anchessi hanno adattamenti unici per gestire lacqua dentro e fuori le cellule.

• Gli organismi dacqua dolce sono circondati dallacqua e sono costantemente in pericolo di avere lacqua che scorre nelle loro cellule a causa dellosmosi. Molti adattamenti degli organismi che vivono in ambienti di acqua dolce si sono evoluti per garantire che le concentrazioni di soluti nei loro corpi rimangano entro livelli appropriati. Uno di questi adattamenti è lescrezione di urina diluita; lurina diluita ha una bassa concentrazione di soluti ed è principalmente acqua, il che consente loro di espellere lacqua in eccesso.
• Gli organismi marini sono circondati da acqua con una concentrazione di soluti più alta rispetto allorganismo e, quindi, sono in pericolo di perdere acqua nellambiente a causa dellosmosi. Questi organismi hanno adattamenti morfologici e fisiologici per trattenere lacqua e rilasciare soluti nellambiente. Ad esempio, le iguane marine (Amblyrhynchus cristatus), starnutiscono il vapore acqueo ad alto contenuto di sale per mantenere le concentrazioni di soluto entro un intervallo accettabile mentre si nuota nelloceano e si mangiano piante marine.

Altri fattori acquatici

Alcuni fattori abiotici, come lossigeno, sono importanti negli ecosistemi acquatici e negli ambienti terrestri. Gli animali terrestri ottengono ossigeno dallaria che respirano. La disponibilità di ossigeno può essere un problema per gli organismi che vivono ad altitudini molto elevate, tuttavia, dove ci sono meno molecole di ossigeno nellaria. Nei sistemi acquatici, la concentrazione di ossigeno disciolto è correlata alla temperatura dellacqua e alla velocità con cui lacqua si muove. Lacqua fredda ha più ossigeno disciolto dellacqua più calda. Inoltre, la salinità, la corrente e la marea possono essere importanti fattori abiotici negli ecosistemi acquatici.

Altri fattori terrestri

Figura 7. Le pigne mature del jack pine si aprono solo se esposte a temperature elevate, come durante un incendio boschivo. (credit: USDA)

Il vento può essere un importante fattore abiotico perché influenza il tasso di evaporazione e traspirazione.La forza fisica del vento è importante anche perché può spostare il suolo, lacqua o altri fattori abiotici, nonché gli organismi di un ecosistema.

Il fuoco è un altro fattore terrestre che può essere un importante agente di disturbo nel terrestre ecosistemi. Alcuni organismi sono adattati al fuoco e, quindi, richiedono il calore elevato associato al fuoco per completare una parte del loro ciclo di vita. Ad esempio, il pino domestico (Pinus banksiana), una conifera, richiede calore dal fuoco perché i suoi coni di semi si aprano. È probabile che un incendio uccida la maggior parte della vegetazione, quindi è più probabile che una piantina che germina dopo un incendio riceva molta luce solare rispetto a una che germina in condizioni normali. Attraverso la combustione degli aghi di pino, il fuoco aggiunge azoto al suolo e limita la concorrenza distruggendo il sottobosco.

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