Il Sole fornisce all'ecosistema una quantità di energia illimitata, mentre la materia che costituisce i viventi, cioè gli atomi, non varia (se escludiamo l'apporto meteorico), perciò per essere disponibile nell'ecosistema, deve continuamente essere riciclata. Per questo si parla di flusso dell'energia e di ciclo della materia.
Il passaggio di un atomo dalla forma inorganica a quella organica è chiamato organicazione e/o fotosintesi, mentre il passaggio inverso è costituito dalla mineralizzazione e/o respirazione.
Se consideriamo anche la componente biotica, cioè le continue trasformazioni attraverso i livelli trofici, un ciclo biogeochimico può essere sintetizzato come nella figura sotto.
Ogni elemento o composto chimico necessario a un organismo vivente per crescere e riprodursi è chiamato nutriente.
Alcuni, definiti macronutrienti, svolgono un ruolo essenziale nell'attività cellulare e sono necessari in grande quantità; comprendono acqua, carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo, zolfo e calcio. I micronutrienti, invece, anch'essi indispensabili, sono sufficienti in minima quantità e comprendono elementi come lo zinco, il molibdeno, il ferro, il selenio e lo iodio.
I nutrienti passano dall'ambiente abiotico a quello biotico incorporati nei tessuti degli organismi, poi passano ad altri organismi, fino ai decompositori, che li restituiscono all'ambiente abiotico, per rendersi nuovamente disponibili per gli organismi viventi in cicli continui, interni agli ecosistemi, chiamati cicli dei nutrienti o cicli biogeochimici.
La fonte principale, o serbatoio, di elementi nutritivi importanti è rappresentata dall'ambiente non vivente. L'atmosfera è il maggior serbatoio dell'azoto e del carbonio e quindi i cicli di questi elementi sono chiamati cicli atmosferici, o gassosi.
Il serbatoio del ciclo sedimentario è rappresentato invece dai sedimenti, derivanti dal suolo e dalle rocce, come il fosforo, il potassio, lo zolfo, il magnesio, il calcio, il sodio, il ferro.
Per il ciclo dell'acqua, il bacino di riserva principale di ossigeno e idrogeno è costituito dall'acqua contenuta negli oceani e, in generale, nell'idrosfera.
I cicli biogeochimici che andremo ora a presentare hanno degli elementi comuni.
- La materia circola più rapidamente se si trova allo stato gassoso.
- Gli elementi e i composti possono rimanere per lungo tempo nei serbatoi prima di rientrare in circolo, oppure possono essere trasferiti direttamente da un organismo a un altro.
- Ogni ciclo non è indipendente dagli altri, ma interagiscono e si influenzano tra loro.
Il ciclo del carbonio
Il ciclo del carbonio appartiene ai cicli gassosi e si svolge attraverso trasferimenti di diossido di carbonio (CO2) presente per la maggior parte nel serbatoio dell'atmosfera - ma si tratta di un quantitativo abbastanza limitato, rappresentando solo dello 0,042 % dei gas atmosferici - e anche negli oceani, disciolto nell'acqua.
Da questi serbatoi il carbonio entra nell'ecosistema sotto forma di CO2 che i produttori fissano durante la fotosintesi, cioè la trasformano in composti organici.
Una parte della CO2, sotto forma di composti organici, incorporata negli organismi fotosintetici, attraverso le reti alimentari arriva agli erbivori che in parte li inglobano nei loro tessuti; una parte del carbonio è liberata sotto forma di rifiuti e in parte il carbonio è trasferito ai consumatori, ai detritivori e ai decompositori, i quali demoliscono sia i rifiuti, sia i corpi morti delle piante e degli animali.
Un'altra parte è incorporata come CaCO3 nelle conchiglie e altri organismi con strutture rigide: l'anidride carbonica con l'acqua forma ioni di carbonato acido, a loro volta trasformati in ioni carbonato che, unendosi agli ioni calcio precipitano sotto forma di carbonato di calcio:
Alla loro morte si accumulano sul fondo, vengono sepolti dai sedimenti, fino a originare le rocce calcaree, oppure si dissolvono, rilasciando CO2, rendendo nuovamente disponibile il carbonio per i produttori.
Una parte della CO2 è reimmessa nell'atmosfera per mezzo della respirazione cellulare attraverso le foglie e le radici delle piante, la respirazione degli animali e la decomposizione dei detritivori e decompositori.
Rimane comunque una grande quantità di carbonio immobilizzata nei tessuti degli organismi e nella materia organica in decomposizione come biomassa.
Altra quantità di carbonio si trova nei combustibili fossili che sono i resti di piante e animali vissuti in un lontano passato. Il carbonio presente nelle molecole organiche che, in ambiente anaerobico, o di elevata acidità, i decompositori non sono riusciti a demolire, si trasforma in humus e poi è trasformato, nel corso delle ere geologiche, in carbone fossile, petrolio e gas naturale per opera di temperature e pressioni elevate. Questi combustibili sono infine prelevati per le diverse attività umane.
Clicca sulla figura per un'altra immagine. I numeri neri indicano la riserva di carbonio in ogni distretto, in miliardi di tonnellate. I numeri viola indicano quanto di questo carbonio viene mobilizzato ogni anno da una riserva all'altra.
Il ciclo del carbonio è strettamente intrecciato al parallelo ciclo dell'ossigeno attraverso il processo di fotosintesi e respirazione cellulare.
Quando un vegetale assorbe la CO2 per la fotosintesi, come sottoprodotto è rilasciato nell'atmosfera O2, diventando disponibile per le specie aerobiche.
Il ciclo dell'azoto
L'atmosfera è un enorme serbatoio di azoto (N2), contenendone circa il 78%. Tuttavia le piante e gli animali non sono in grado di utilizzare direttamente questo gas, perciò entra lentamente nel ciclo (fattore limitante). I vegetali possono invece assimilare azoto in forma di ione ammonio (NH4+), nitrito (N02-) e nitrato (N03-) presenti nel terreno e li trasformano in diversi tipi di molecole organiche.
Il ciclo dell'azoto è un ciclo gassoso che comprende 4 tappe.
Fissazione dell'azoto
Gli organismi in grado di utilizzare direttamente l'azoto atmosferico (N2), trasformandolo in ammoniaca (NH3) sono Procarioti azotofissatori, divisi in 4 gruppi.
- Batteri anaerobi non simbionti, come il Clostrdium pasteurianum, anaerobio, e il genere Azotobacter, aerobio, che vivono nel suolo, dove rilasciano direttamente i composti nel terreno.
- Batteri aerobi eterotrofi del genere Rhizobium, formano simbiosi mutualistiche con le leguminose (soia, erba medica, trifoglio, fagioli, piselli) e si localizzano nei noduli, o tubercoli, delle radici. La pianta riceve direttamente dai Batteri azotofissatori l'ammoniaca (NH3) o lo ione ammonio (NH4+), che vengono trasformati in ammine (-NH2) ed entrano a far parte delle proteine e delle altre biomolecole contenenti azoto. In cambio i Batteri ricevono carboidrati e altri composti organici. La parte non utilizzata dalla pianta è dispersa nel terreno, diventando disponibile per altre piante.
- I Cianobatteri, aerobi, che vivono nelle acque.
- Alcune specie di Licheni, simbiosi tra un fungo e un'alga.
Tutti gli altri organismi sono costretti a contendersi le scarse risorse di azoto perché non sono in grado di prelevarlo dall'immenso serbatoio atmosferico.
Il processo di sintesi è chiamato fissazione dell'azoto e consiste nel legare l'azoto molecolare (N2) agli ioni idrogeno (H+) per formare ammoniaca (NH3), che nell'acqua o nel terreno diventa ione ammonio (NH4+) secondo l'equazione:
Una parte dello ione ammonio è trattenuta dal Battere per le esigenze metaboliche, mentre un'altra è rilasciata nel terreno o nelle acque.
Esiste anche una fissazione abiotica, elettrochimica e fotochimica, in conseguenza di fulmini e altre forme di combustione (incendi), che provocano la reazione dell'azoto con l'ossigeno atmosferico, producendo ossidi di azoto (NOx) che si depositano sotto forma di nitrati (N03-).
Pure i vulcani svolgono un ruolo nel ciclo dell'azoto, rilasciando azoto (N2) intrappolato nelle rocce del mantello terrestre all'atmosfera. Inoltre, i fumi vulcanici, insieme alla combustione industriale e gli incendi liberano diversi composti azotati (N2O, NH3, NH4+ ecc.).
Con l'azotofissazione abiotica si producono anche i fertilizzanti.
Nitrificazione
L'ammoniaca resa disponibile dai Batteri azotofissatori viene trasformata da due gruppi di Batteri, attraverso un processo di nitrificazione (si tratta di un'ossidazione).
I Batteri nitrosanti, come il Nitrosomonas, che sono chemioautotrofi, trasformano lo ione ammonio (NH4+) in ione nitrito (N02-):
I Batteri nitrificanti, come il Nitrobacter, trasformano lo ione nitrito (N02-) in ione nitrato (N03-):
Le piante prelevano l'azoto dall'ammoniaca, dai nitriti e dai nitrati e lo assimilano (organicazione), trasformandolo in amminoacidi, proteine, acidi nucleici e vitamine. Queste molecole azotate di origine vegetale sono poi assimilate dai consumatori, dai detritivori e dai decompositori attraverso la rete alimentare.
Come abbiamo visto sopra, questi composti si formano anche per fissazione abiotica.
Ammonificazione
Quando piante e animali muoiono, Batteri e Funghi li decompongono. Alcuni di questi microorganismi, i Batteri ammonificanti, riescono a degradare (mineralizzazione) ad ammoniaca (NH3) gli amminoacidi e l'urea presenti nelle urine, nelle feci e nelle spoglie di organismi morti, attraverso un processo di decomposizione, definito ammonificazione.
L'ammoniaca può essere nuovamente assimilata dalle piante o subire un nuovo processo di nitrificazione.
Denitrificazione
L'azoto è rimosso dal suolo attraverso tre modalità:
- l'assunzione dei composti azotati da parte delle radici delle piante (organicazione);
- il dilavamento delle acque che scorrono sul suolo;
- l'azione dei Batteri denitrificanti.
I Batteri denitrificanti, come Pseudomonas, che operano nelle paludi, negli acquitrini e negli estuari, cioè in ambienti anaerobi, demoliscono i nitrati (N03-) seguendo due vie una porta all'ammoniaca (NH3) e un'altra all'azoto molecolare (N2), che lo restituisce all'atmosfera (denitrificazione) chiudendo il ciclo.
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Il ciclo del fosforo
Il ciclo del fosforo è un ciclo sedimentario perché, diversamente dal carbonio e dall'azoto, non entra nell'atmosfera, ma si sposta attraverso l'acqua, la crosta terrestre e gli organismi viventi, però in modo più lento rispetto agli altri cicli biogeochimici.
Il fosforo è un componente essenziale di molecole biologiche quali l'ATP e il NADP, incaricati del trasferimento di energia, degli acidi nucleici e dei fosfolipidi delle membrane cellulari, ed è presente nei denti e nelle ossa dei Vertebrati.
Il fosforo è relativamente scarso sulla superficie terrestre rispetto a queste necessità biologiche, anche perché è facilmente asportato.
Il ciclo inizia dal serbatoio rappresentato dalle rocce della crosta terrestre, dove il fosforo si trova legato soprattutto all'ossigeno sotto forma di fosfati, per esempio il fosfato di calcio [Ca3(PO4)2].
Quando le rocce contenenti fosfati vengono erose all'azione degli agenti meteorici, la pioggia scioglie i fosfati portandoli in soluzione sotto forma di ioni fosfato (PO43-).
I fosfati inorganici passano nel suolo e nel mare attraverso la rete fluviale e sono poi assorbiti dai produttori primari: dalle Piante, dalle Alghe, dai Cianobatteri, ecc., sotto forma di H2PO4- e HPO42-, che li incorporano nelle molecole biologiche. Il fosforo utilizzabile proviene totalmente dall'erosione di rocce fosfatiche.
Dai produttori, il fosforo fluisce, attraverso la rete alimentare, ai consumatori, ai detritivori e ai decompositori, che demoliscono anche i rifiuti organici, restituendo al suolo e all'acqua il fosforo contenuto nella materia organica del materiale decomposto, nuovamente sotto forma si fosfati inorganici.
In questi ambienti esso può essere riassorbito dagli autotrofi, oppure può essere incorporato nei sedimenti.
Non tutto il fosforo viene incorporato, ma una parte dei fosfati è dilavata dalle piogge e portata al mare insieme ai fosfati trasportati dalla rete idrografica.
Parte del fosforo giunto in mare si accumula sul fondo, formando depositi insolubili che andranno a costituire le rocce sedimentarie.
Una parte è incorporata nelle conchiglie e negli scheletri degli altri organismi marini e, alla loro morte, si depositeranno sul fondo marino, contribuendo anch'essi alla formazione delle rocce sedimentarie.
Una parte, infine, rientra nell'ecosistema terrestre tramite una rete alimentare marina, dove i produttori primari trasferiscono il fosforo agli Invertebrati e ai Pesci.
Alcuni Pesci vengono catturati dagli Uccelli ittiofagi, per esempio i gabbiani e i cormorani, che, sotto forma di guano, restituiscono all'ambiente terrestre grandi quantità di fosforo, parte del quale è prelevata dalle industrie per produrre fertilizzanti. Le industrie lo prelevano anche dalle miniere e ne fanno un uso massiccio, con il rischio di inquinamento delle acque fluviali e lacustri (fenomeno della eutrofizzazione).
Il ciclo biogeochimico del fosforo si chiude con la trasformazione dei sedimenti in roccia, che i movimenti geologici porteranno in alto per un nuovo ciclo erosivo.
Il ciclo dell'acqua
Il ciclo dell'acqua, o ciclo idrologico è già stato trattato nel capitolo della geomorfologia. Qui ne riprendiamo alcuni aspetti.
Il ciclo idrologico si differenzia dai cicli biogeochimici descritti in precedenza perché gran parte dell'acqua rimane sotto tale forma durante tutto il ciclo ed è utilizzata solo in minima parte per la sintesi di nuove molecole, perciò il ruolo degli organismi viventi appare più ridotto.
Il ciclo idrologico comprende due fasi: la prima va dagli oceani ai continenti e il ciclo è messo in moto dall'energia del Sole; una seconda fase va in verso contrario, cioè dai continenti agli oceani, ed è dovuta alla forza di gravità.
Nella figura è proposto uno schema semplificato.
Il ciclo è suddiviso secondo i seguenti processi naturali:
- evaporazione,
- condensazione,
- precipitazione,
- deflusso superficiale,
- infiltrazione,
- assorbimento,
- deflusso complessivo.
Esaminiamoli in dettaglio.
Evaporazione
Il calore del Sole provoca l'evaporazione dell'acqua liquida presente negli oceani e in misura inferiore sui continenti.
Una quantità minore di vapore proviene dalle acque dei fiumi, dei laghi e del sottosuolo, da dove risale lentamente per capillarità.
L'acqua è liberata nell'atmosfera anche dalle piante attraverso il processo della traspirazione e in misura molto minore, dal corpo degli animali. L'insieme dei due processi è detto evapotraspirazione.
Una quantità minima di vapor d'acqua, infine, è prodotta per sublimazione dalle nevi e dai ghiacci.
Condensazione
Il vapor d'acqua prodotto dall'evapotraspirazione, salendo di quota dove le temperature sono più basse, condensa in minute goccioline o aghi di ghiaccio, attorno ai nuclei di condensazione (polvere, polline, sale, ecc.) formando le nuvole, dove viene immagazzinata una grande quantità d'acqua allo stato liquido.
Le masse d'aria si spostano in continuazione, distribuendo le nubi sui mari e poi sui continenti.
Precipitazione
Le goccioline d'acqua o ghiaccio non rimangono sospese all'infinito ma, per la forza di gravità, cadono sui continenti sotto forma di precipitazioni: pioggia, neve, grandine, nebbia, brina, galaverna.
In misura minore cadono anche sui mari e sugli oceani.
Deflusso superficiale
L'acqua che precipita sulle terre emerse, detta anche acqua meteorica, - che è maggiore di quella che cade sugli oceani - scorre in superficie prima con il ruscellamento, poi nei corsi d'acqua che trasportano le acque verso i bacini marini e oceanici, mentre una parte sosta per un certo tempo nei bacini lacustri. Questo movimento si chiama deflusso superficiale.
Infiltrazione
Una parte dell'acqua penetra nel suolo per infiltrazione attraverso i pori e le fratture degli strati rocciosi, fino a che non trovano uno strato impermeabile e qui perciò comincia a scorre secondo la forza di gravità (deflusso profondo). La percolazione, invece, consiste nel proseguimento del movimento dell'acqua nel sottosuolo dopo che si è infiltrata; l'acqua può percolare anche da fiumi e laghi. Si formano così le falde acquifere, riserve sotterranee di acqua dolce.
Assorbimento
Una parte dell'acqua infiltrata è assorbita dalle radici delle piante, dalle quali ritorna all'atmosfera per evaporazione attraverso le foglie. Una piccola quantità si combina, durante la fotosintesi, con il diossido di carbonio per la produzione di molecole ad alto contenuto energetico; infine, queste molecole sono demolite durante i processi di respirazione cellulare, restituendo così l'acqua all'ambiente.
Gli organismi eterotrofi ricavano invece l'acqua dal cibo o, più direttamente, la bevono.
Deflusso complessivo
Le acque delle falde restano nel sottosuolo per tempi molto lunghi, ma prima o poi riemergono, alimentando sorgenti e fiumi, o sfociano nei mari, insieme a quelle dei fiumi, dei laghi.
Da qui evapora e il ciclo ricomincia.
