Flussi di energia negli ecosistemi

La vita sulla terra trae energia dal sole poiché quando i fotoni colpiscono i tessuti vegetali avviene il processo fotosintetico. Con esso, circa il 2% dell’energia solare è convertita in zuccheri (energia sotto forma di legami chimici). Con al fotosintesi c’è produzione di biomassa vegetale che verrà poi consumata lungo la catena trofica. L’energia fissata dalle piante è la base da cui dipende la vita sulla Terra. I flussi di energia attraverso l’ecosistema avvengono tramite una serie di passaggi definiti catena alimentare. Le relazioni alimentari all’interno della catena sono indicate come livelli trofici. Il primo livello trofico è quello dei produttori primari, il secondo quello degli erbivori ed infine quello dei carnivori.

Produttività

La produttività primaria è velocità alla quale l’energia raggiante viene trasformata dall’attività fotosintetica e chemiosintetica (degli organismi produttori) in sostanza organica, per unità di area e tempo.

La produttività primaria si divide in:

  • Lorda (PPL): velocità di fotosintesi, compresa la materia organica usata dall’organismo vegetale stesso, durante il periodo di misura. Viene chiamata anche fotosintesi totale o assimilazione totale.
  • Netta (PPN): velocità di immagazzinamento della materia organica prodotta, al netto di quella usata per la respirazione dalla pianta. Viene anche chiamata fotosintesi apparente o assimilazione netta.

La respirazione è la quantità di energia utilizzata per permettere i processi respiratori di un organismo; differenza tra produttività primaria lorda e netta. Si dice invece produttività primaria della comunità la velocità di immagazzinamento della materia organica non utilizzata dagli eterotrofi (cioè la produzione primaria netta meno il consumo degli eterotrofi) durante il periodo considerato. Oltre alla produttività primaria vi è anche quella secondaria.

La produttività secondaria è il tasso di produzione di biomassa da parte degli organismi eterotrofi per unità di area e tempo. Poiché i consumatori utilizzano soltanto sostanze nutritive già sintetizzate, con relative perdite respiratorie, e le trasformano nei loro tessuti mediante un unico processo, la produttività secondaria non può essere divisa in lorda e netta.

Il produttore primario è tipicamente una pianta verde o batterio chemiosintetico che trasforma luce o energia chimica in biomassa. Al contrario, un produttore secondario è organismo che ottiene energia dal consumo di tessuti vegetali o animali e dalla metabolizzazione dei composti del carbonio assimilati.

Calcolo della produttività e della respirazione

PPN, PPL e respirazione possono essere calcolati in termini di ossigeno. Più ossigeno una pianta produce e più la pianta ha prodotto sostanza organica.

Metodo bottiglie chiare e scure: L’occorrente per questo esperimento sono due bottiglie trasparenti e una opaca. Si immergono in un bacino idrico naturale contemporaneamente le tre bottiglie aperte e una volta piene le si richiude. Da una delle due bottiglie trasparenti misuro subito il quantitativo di ossigeno, stimato per questo caso in 11 mg/L. Le altre due bottiglie si tengono chiuse per farne un’analisi del contenuto di ossigeno a 24 h di distanza. In quella trasparente sarà avvenuta sia fotosintesi che respirazione e l’incremento della concentrazione di ossigeno rappresenta la produzione primaria netta mentre in quella opaca avviene solo la respirazione poichè é la luce non è potuta penetrare. In quella trasparente, dopo 24 h, si misurano circa 15 mg/L di ossigeno mentre in quella opaca solo 8 mg/L. Con queste misure si è in grado di ricavare PPN, PPL, e R:

  • R = 11-8 = 3 mg/L di ossigeno consumato dalla respirazione
  • PPN = 15-11 = 4 mg/L di ossigeno prodotto per fotosintesi
  • PPL = R + PPN = 3+4 = 7 mg/L di ossigeno

Variazione della produttività primaria

In ambiente terrestre

Il grafico sotto riportato dimostra come il clima può influenzare la PPN e di conseguenza la PPL.

Variazione della produttività primaria in ambiente terrestre
Variazione della produttività primaria in ambiente terrestre

Se la temperatura è elevata ma non c’è abbastanza acqua, la fotosintesi si blocca a causa della chiusura degli stomi da parte delle piante che stanno sperimentando condizioni di stress idrico. Quindi, se la temperatura nell’aria è elevata ma la disponibilità dell’acqua nel terreno è bassa la produttività sarà anch’essa bassa. Inoltre, se le temperature sono basse, la produttività sarà bassa a prescindere dalla quantità di acqua presente nel terreno.

La produttività primaria massima si ottiene con la combinazione di alte temperature e di un adeguato apporto idrico per la traspirazione. Quindi la PPN dipende primariamente dalla piovosità media della regione. Le aree più produttive sono dunque quelle vicino all’equatore. In questa zona partono correnti ascendenti di aria calda e umida che salendo di quota si raffreddano provocando abbondanti piogge. Questo è il motivo per cui all’equatore troviamo le foreste tropicali caratterizzate da caldo e tanta pioggia.

La produttività più bassa, oltre che ai poli, si trova nei deserti. In queste aree situate a 30°N e S dell’equatore, l’aria equatoriale ormai secca scende e si riscalda; qui si trovano infatti i deserti che sono ambienti caldi e poco piovosi.

In ambiente marino

Il grafico riportato mostra l’effetto che la profondità ha sulla produttività primaria.

Variazione della produttività primaria in ambiente terrestre
Variazione della produttività primaria in ambiente terrestre

La produttività massima si ha a pochi metri di profondità per due motivi: a questa bassa profondità vengono schermati gran parte dei raggi UV dannosi e al contempo c’è comunque una sufficiente quantità di luce per permettere la fotosintesi. In un ecosistema marino o lacustre è importante individuare il punto di compensazione: la profondità alla quale la produzione primaria netta è uguale alla respirazione. Ciò significa che a profondità maggiori il consumo di ossigeno da parte degli eterotrofi sarà maggiore della quantità prodotta.

In relazione alla disponibilità di nutrienti

Oltre al clima, anche la disponibilità dei nutrienti essenziali, necessari per la crescita delle piante, ha un effetto diretto sulla produttività dell’ecosistema. La disponibilità di nutrienti nel suolo influenza i tassi di assorbimento, di fotosintesi e di crescita delle piante: ne consegue che, in generale, un incremento della produttività primaria netta è associato ad un aumento della disponibilità di nutrienti nel suolo. Negli ambienti marini gli elementi chiave per la crescita dei produttori primari sono fosforo, ferro e azoto. In mare le zone produttive sono le coste ed in particolare quelle del nord Europa.

Conclusione

Il flusso di energia diminuisce a ciascun passaggio di livello trofico. Una conseguenza importante della diminuzione dell’energia attraverso la rete alimentare è la progressiva diminuzione della biomassa. Poiché una parte dell’energia viene persa da un livello all’altro, la massa totale presente in ciascun livello è condizionata dal tasso al quale l’energia viene immagazzinata nel livello immediatamente inferiore (controllo Bottom-Up).

Fonte: Elementi di ecologia, di Thomas M. Smith e Robert L. Smith. Pearson editore.

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