Come le piante e le alghe sostengono tutti gli ecosistemi
Il ruolo cruciale dei produttori primari, come piante e alghe, nella costruzione e nel mantenimento della biodiversità. Attraverso il processo di fotosintesi, questi organismi catturano l'energia solare e la trasformano in materia organica, fornendo così il fondamento energetico per tutte le altre forme di vita.
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Che cosa è una catena alimentare?
In ecologia, la catena alimentare è complesso di organismi (animali, piante, batteri) di un ecosistema che dipendono l'uno dall'altro per il nutrimento. Un essere vivente si nutre di ciò che lo precede nella catena alimentare e, a sua volta, viene mangiato dal prossimo, che può essere un altro animale o un umano. La catena alimentare ha una struttura piramidale suddivisa in vari livelli trofici ad ognuno dei quali corrispondono specifiche categorie di esseri viventi.
I produttori primari sono al vertice della catena alimentare giacché rappresentano il punto di ingresso dell'energia lungo la catena trofica.
Cosa si intende per produttori primari?
Gli organismi responsabili della produzione primaria, chiamati produttori primari o autotrofi, sono alla base della catena alimentare. Negli ambienti terrestri essi sono soprattutto piante, mentre in ambienti acquatici sono le alghe a svolgere un ruolo preponderante.
La dipendenza dalla produzione primaria
Tutta la vita sulla Terra è direttamente o indirettamente dipendente dalla produzione primaria
Gli organismi responsabili della produzione primaria, chiamati produttori primari o autotrofi, sono alla base della catena alimentare. Negli ambienti terrestri essi sono soprattutto piante, mentre in ambienti acquatici sono le alghe a svolgere un ruolo preponderante.
La biomassa di un luogo particolare è la massa totale di materiale vivente in essa contenuta.
Analizzare all'interno degli ecosistemi ci consente di scoprire unità molto piccole.
Un metodo fruttuoso per analizzare gli ecosistemi è cercare organismi che ottengano energia direttamente dal sole per produrre il proprio cibo. Sono conosciuti come produttori primari. Sono costituiti da piante, alghe e molti batteri. Quasi tutti gli altri organismi dipendono da loro per la loro energia.
Fondamentalmente la produzione primaria consiste nella conversione dell'energia proveniente dalle radiazioni elettromagnetiche in energia chimica da parte degli organismi viventi.
Qualunque sia la fonte, l'energia è usata per sintetizzare composti organici complessi a partire da composti inorganici più semplici come anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O).
Si definisce produzione primaria netta (Ppn) la differenza tra la quantità di CO2 immagazzinata dagli organismi mediante la fotosintesi e quella consumata per il loro mantenimento (respirazione) e immessa nell’atmosfera. Questo bilancio è di fondamentale importanza non solo per una migliore comprensione degli ecosistemi e dei cicli del carbonio, ma per la valutazione dell’impatto dei cambiamenti climatici globali e di eventi estremi (siccità, ondate di calore, alluvioni).
Normalmente si ha la formazione di un carboidrato ridotto (CH2O), in genere molecole come glucosio o altri zuccheri. Queste molecole relativamente semplici vengono poi utilizzate per la sintesi di molecole più complesse quali proteine, carboidrati complessi, lipidi e acidi nucleici, o vengono usate nella respirazione cellulare per produrre lavoro.
La predazione dei produttori primari da parte di organismi eterotrofi, come per esempio gli animali, trasferisce queste molecole e l'energia in esse immagazzinata ai livelli trofici superiori.
Sulle terre emerse, la quasi totalità della produzione primaria è affidata alle piante vascolari. La produzione primaria terrestre è funzione di molti fattori, principalmente l'idrologia locale e la temperatura (questa varia insieme alla luce, la fonte di energia per la fotosintesi). Sebbene le piante ricoprano la maggior parte della superficie terrestre, la loro presenza è fortemente ridotta nelle zone in cui vi sono temperature estreme o dove le principali risorse delle piante (generalmente acqua e luce) sono limitanti, come nei deserti e nelle regioni polari.
L'acqua è consumata dalle piante nei processi di fotosintesi e traspirazione.
Quest'ultimo processo è dovuto all'evaporazione dell'acqua dalle foglie e permette alle piante di trasportare i nutrienti minerali dal suolo a tutti gli organi e inoltre permette di abbassare la loro temperatura interna.
Contrariamente alla terraferma, negli oceani quasi tutta la produzione primaria è dovuta al Fitoplancton, mentre le piante vascolari apportano solo un piccolo contributo.
Il termine "fitoplancton" comprende un vasto insieme di organismi autotrofi in grado di sintetizzare sostanze organiche a partire dalle sostanze inorganiche disciolte nell'ambiente marino sfruttando il processo di fotosintesi.
Il fitoplancton svolge un ruolo fondamentale nella produzione di ossigeno producendone circa la metà di quanto viene prodotto su scala globale considerando anche gli organismi vegetali terrestri. La loro sopravvivenza è determinata dall'apporto di nutrienti.
L'apporto di nutrienti viene regolato dai diversi cicli biogeochimici presenti nella zona di interesse. Un apporto molto alto di nutrienti potrebbe determinare la condizione di Eutrofizzazione innescando una serie di processi che termina con la morte del fitoplancton presente e la formazione di una zona anossica.
Negli ecosistemi acquatici e terrestri, i trasferimenti di carbonio fisso dai produttori primari agli erbivori e ai decompositori / detritivori forniscono dei percorsi per il flusso di energia e sostanze nutritive. Questi flussi hanno conseguenze non solo per lo stoccaggio del carbonio, ma anche per il ciclo dei nutrienti.
Gli organismi che appartengono alla classe di produttori primari sono anche definiti autotrofi. Questa definizione deriva dalla capacità di ricavare in totale autonomia ed indipendenza l'energia per la propria sopravvivenza e le molecole strutturali/energitiche senza sfruttare fonti organiche esterne.
La catena alimentare
I produttori primari sono al vertice della catena alimentare giacché rappresentano il punto di ingresso dell'energia lungo la catena trofica.
Gli ecosistemi sono basati sui flussi di energia e materia fra le loro diverse componenti biotiche e abiotiche. Questi flussi avvengono tramite la struttura trofica dell’ecosistema stesso, composta da diversi livelli, ciascuno dei quali raggruppa gli organismi con una posizione simile all’interno di questa struttura.
La successione dei livelli trofici è chiamata catena alimentare.
I due livelli trofici principali sono gli autotrofi, detti anche produttori, e gli eterotrofi, o consumatori.
La maggior parte degli autotrofi è composta dai fotoautotrofi, che sintetizzano molecole organiche basandosi sulla reazione di fotosintesi clorofilliana, mentre i chemioautotrofi possono sfruttare l’energia chimica liberata dai processi di ossidazione della materia.
Negli organismi eterotrofi è invece presente la sola reazione di respirazione. gli erbivori, vengono chiamati consumatori primari, i carnivori invece sono consumatori di ordine superiore. Infine, tutti i livelli trofici sono connessi fra loro attraverso i decompositori, una categoria di eterotrofi che si nutre di materia organica morta, decomponendola.
I Fattori Ambientali che Limitano la Produzione Primaria negli Ecosistemi Terrestri e Acquatici
La produzione primaria, ovvero la capacità degli organismi autotrofi di convertire l’energia solare in biomassa, è influenzata da diversi fattori ambientali. Questi fattori, che includono la luce, l’acqua e i nutrienti, giocano un ruolo cruciale sia negli ecosistemi terrestri che in quelli acquatici.
Negli ecosistemi terrestri, la luce è uno dei principali fattori limitanti. La fotosintesi, il processo attraverso il quale le piante producono energia, dipende dalla disponibilità di luce solare. In ambienti come le foreste dense, dove la luce penetra con difficoltà, la produzione primaria può essere significativamente ridotta. Le piante che crescono in queste aree devono adattarsi a condizioni di scarsa illuminazione, sviluppando foglie più grandi o cambiando la loro struttura per catturare più luce possibile.
L’acqua è un altro elemento fondamentale. In regioni aride o durante periodi di siccità, la mancanza di acqua limita la crescita delle piante e, di conseguenza, la produzione primaria. Le piante in questi ambienti hanno sviluppato adattamenti come radici profonde o foglie ridotte per minimizzare la perdita d’acqua.
I nutrienti nel suolo, come azoto, fosforo e potassio, sono essenziali per la crescita delle piante. La carenza di questi nutrienti può limitare la produzione primaria, poiché le piante non possono sintetizzare le molecole necessarie per la loro crescita. In molti ecosistemi, la fertilità del suolo è un fattore determinante per la produttività delle piante.
Anche negli ecosistemi acquatici, la luce è un fattore limitante. La penetrazione della luce diminuisce con la profondità dell’acqua, limitando la fotosintesi alle zone superficiali. Questo significa che la maggior parte della produzione primaria avviene nelle acque poco profonde, dove la luce è più abbondante.
I nutrienti come nitrati e fosfati sono cruciali per la crescita del fitoplancton, che costituisce la base della catena alimentare acquatica. La carenza di questi nutrienti può limitare la produzione primaria, riducendo la disponibilità di cibo per gli organismi superiori.
La temperatura dell’acqua influisce sul metabolismo degli organismi acquatici e sulla solubilità dei gas, come l’ossigeno, che sono essenziali per la vita. Temperature troppo alte o troppo basse possono limitare la produzione primaria, influenzando la crescita e la riproduzione degli organismi fotosintetici.
La disponibilità di luce, acqua e nutrienti non solo determina la produzione primaria, ma influisce anche sulla distribuzione e abbondanza delle specie. Le specie tendono a distribuirsi in aree dove i fattori limitanti sono meno severi. Ad esempio, le piante che necessitano di molta luce si trovano in aree aperte, mentre quelle che tollerano l’ombra prosperano nelle foreste dense.
La disponibilità di risorse determina anche l’abbondanza delle specie. In ambienti ricchi di risorse, la produzione primaria è elevata, supportando una maggiore biodiversità e abbondanza di specie. Al contrario, in ambienti poveri di risorse, la competizione per la sopravvivenza è più intensa, limitando il numero di specie che possono prosperare.
In conclusione, i fattori ambientali come luce, acqua e nutrienti sono determinanti per la produzione primaria negli ecosistemi terrestri e acquatici. Questi fattori influenzano profondamente la distribuzione e l’abbondanza delle specie, modellando la struttura e la funzionalità degli ecosistemi. La comprensione di questi processi è fondamentale per la conservazione e la gestione sostenibile degli ambienti naturali.
Dasgupta, P. (2021), The Economics of Biodiversity: The Dasgupta Review. (London: HM Treasury)
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