L'ecosistema

L'ecosistema è l'unità di organizzazione funzionale distinta della biosfera, cioè è la suddivisione in parti più piccole della biosfera, ed è dato dall'insieme degli organismi animali e vegetali che interagiscono tra loro e con l'ambiente in cui vivono. In esso si realizza uno scambio continuo di materia ed energia tra gli organismi e l'ambiente.

Esistono ecosistemi molto grandi, come un mare o un pascolo, o molto piccoli, come una duna, un'aiuola o un tronco marcescente.
La Terra stessa può essere considerata un ecosistema che però, come detto sopra, è divisa in ecosistemi minori.

Gli ecosistemi sono distribuiti in ambienti terrestri epigei e ipogei, marini e di acqua dolce, tutti molto diversi tra loro, ma che presentano similitudini in molti aspetti della loro struttura e del loro funzionamento.
Tutti gli ecosistemi presentano, infatti, le seguenti caratteristiche comuni:

1. sono sistemi aperti poiché la loro esistenza dipende da una fonte energetica esterna, il Sole;
2. sono strutture comprendenti componenti tra loro integrate e comunicanti con gli ecosistemi vicini in quanto scambiano sostanze (per esempio i semi di una pianta che da uno stagno passano a una palude o gli uccelli che per nutrirsi passano da un prato a uno stagno), perciò i confini degli ecosistemi non sono netti, anche se devono distinguersi da altri ecosistemi confinanti;
3. tendono a raggiungere e a mantenere nel tempo una certa stabilità (climax), cioè a conservare le proprie caratteristiche strutturali e l'organizzazione che tiene insieme la comunità;
4. comprendono sempre una componente abiotica e una componente biotica;
   • la componente abiotica di un ecosistema, detta biotopo, è costituita dai composti chimici inorganici e organici e da fattori quali il tipo di clima, di suolo, le caratteristiche dell'aria e dell'acqua;
   • la componente biotica di un ecosistema, o biocenosi, costituita dall'insieme degli organismi animali (zoocenosi) e vegetali (fitocenosi).
5. deve esistere una fonte di energia che fluisce attraverso gli ecosistemi in una direzione e pertanto deve essere continuamente alimentata dal Sole;
6. deve esistere una riserva di nutrienti che sono costantemente riciclati in un flusso circolare interno agli ecosistemi.

Componente abiotica

La componente abiotica (a- = senza e bios = vita) di un ecosistema è stabile e varia solo in tempi molto lunghi.
Tra i componenti abiotici, i più importanti per gli organismi viventi sono la luce, la temperatura, l'acqua, la concentrazione di ossigeno, il suolo e il vento.
I fattori abiotici, invece, sono la risultante nel tempo delle interazioni tra le diverse componenti dell'ecosistema, perciò variano in tempi brevi. Tra questi abbiamo il clima, i fenomeni meteorologici, gli incendi, ecc.

Luce

La luce è un elemento essenziale per gli organismi fotosintetici, direttamente perché è necessaria per l'organicazione del carbonio e indirettamente perché l'energia solare alimenta la macchina atmosferica.
Non tutte le piante hanno le medesime esigenze di illuminazione: le piante eliofile come quelle che vivono nel deserto, necessitano di un'elevata insolazione, mentre le piante sciafile prediligono i luoghi più ombrosi, come le specie del sottobosco.
Negli ecosistemi terrestri il periodo di illuminazione (lunghezza del dì) influenza la crescita della pianta, l'apertura delle gemme, il periodo di fioritura, la maturazione dei frutti.
Anche sugli animali il periodo di illuminazione ha una grande influenza. Da questo, infatti, dipendono l'attività di caccia, il periodo riproduttivo, le migrazioni.
Negli ecosistemi acquatici è un fattore limitante perché influenza la distribuzione degli esseri viventi. Con l'aumentare della profondità, minore è la quantità e diversa la lunghezza d'onda della luce che riesce a penetrare nell'acqua; per questo motivo la maggior parte delle piante acquatiche vive negli strati superiori di oceani, mari e laghi.

Temperatura

La temperatura influenza la distribuzione delle specie viventi, perché ciascuna di esse può sopravvivere solo in un ambiente che presenti un intervallo di temperatura adatto allo svolgimento dei processi vitali.
Le piante, che non possono regolare la loro temperatura interna, non sopravvivono a temperature molto inferiori allo 0 °C.
Gli animali omeotermi, come i Mammiferi, sopravvivono in un intervallo compreso tra e -50 °C e +50 °C (oltre i quali si ha la disidratazione fino alla morte) e  possono svolgere le normali attività anche a temperature sfavorevoli.
Gli animali eterotermi, invece, non hanno meccanismi di regolazione interna, perciò la velocità dei processi metabolici è direttamente collegata alla temperatura.

La temperatura è quindi un fattore limitante nella terraferma, perché subisce forti variazioni in relazione al tipo di suolo e alle condizioni atmosferiche. Per questo diverse specie presentano particolari adattamenti che permettono loro di vivere anche in ambienti molto difficili.
Per esempio, le piante dei climi freddi hanno foglie trasformate in aghi per evitare l'eccessiva perdita di acqua; molti alberi (caducifoglie) perdono le foglie in autunno, espellono acqua dalle cellule per evitare la formazione di aghi di ghiaccio e concentrano molti soluti nei vacuoli con funzione antigelo; alcune piante erbacee avvizziscono nella parte esterna, ma accumulano sostanze in bulbi, tuberi, rizomi sottoterra, dove il gelo non le raggiunge.
Nei climi caldi, invece, le piante hanno foglie ridotte e ricoperte di uno strato ceroso o con fitta peluria per limitare la traspirazione; le radici sono molto profonde per intercettare l'acqua sotterranea.
Alcuni animali, quando il clima diventa rigido, sviluppano una folta pelliccia, oppure entrano in letargo, riducendo il metabolismo al minimo, o in ibernazione (alcune rane possono congelare); diverse specie di Uccelli migrano verso zone più calde.
Gli animali che vivono in ambiente caldo sono attivi nelle ore più fresche e hanno strutture anatomiche atte a disperdere il calore (per esempio ampi padiglioni auricolari).

Negli ecosistemi acquatici le variazioni di temperatura sono meno pronunciate perciò influenza relativamente la vita degli organismi marini.
I Mammiferi marini (foche, balene e orche) accumulano grandi quantità di grasso sottocutaneo che agisce come un isolante termico naturale.

Acqua

Un altro fattore abiotico indispensabile per tutti i viventi è l'acqua, che rappresenta il 50-70% dei tessuti corporei e deve essere costantemente assunta per ripristinare quella persa tramite la traspirazione, la respirazione e l'urina, perciò la sua mancanza provoca la disidratazione e la morte.

L'acqua è distribuita sulla superficie terrestre nelle acque continentali (fiumi, laghi, stagni) e nei mari e oceani.
In un ecosistema terrestre non è sempre facilmente reperibile, perciò le specie animali e vegetali delle aree desertiche sono provviste di alcune specializzazioni, come i cactus, che hanno le foglie ridotte in spine per limitare la traspirazione e il fusto diventa un serbatoio che può conservare grandi quantità d'acqua.

Negli ecosistemi marini la disponibilità d'acqua sembra illimitata ma, essendo la concentrazione salina corporea diversa da quella dell'ambiente, gli organismi devono affrontare il problema del bilancio idrico.

Ossigeno

L'atmosfera contiene circa il 21% di ossigeno, distribuito in modo uniforme, perciò non rappresenta un fattore limitante per gli animali che vivono sulla superficie terrestre. Può esserlo invece per quelli che vivono nel sottosuolo, come i lombrichi, che richiedono un terreno bene ossigenato.
I Batteri, anaerobi al contrario, prosperano in ambiente anossico.
Per le piante l'ossigeno rappresenta un prodotto di scarto della fotosintesi, avendo bisogno di diossido di carbonio.
Nell'ambiente acquatico l'ossigeno non è uniformemente distribuito come nell'ambiente subaereo. Infatti, la quantità disciolta è in funzione della temperatura: le acque più fredde e più mosse sono le più ossigenate.

Suolo

Il suolo è il luogo dove si ancorano e sviluppano le piante e rappresenta l'habitat anche di molte specie di animali, funghi e batteri e la sua composizione influenza la vita di questi organismi.
La profondità, il colore, la composizione, variano notevolmente secondo il clima, la natura geologica del territorio, la vegetazione e differiscono anche per la quantità di sabbia, silice, argilla, concentrazione salina, pH, quantità di nutrienti, grado di umidità e di ossigenazione, microorganismi che vivono in superficie o all'interno e soprattutto per la quantità di humus, derivante dalla trasformazione dei resti di organismi morti per opera di batteri e funghi.
In un suolo ricco di humus la vegetazione può essere rigogliosa, mentre in un suolo in formazione, povero di elementi nutritivi, sopravvivono specie poco esigenti e con un numero limitato di individui.
Ogni specie vegetale ha specifiche esigenze riguardo i componenti elencati sopra. Per esempio, alcune piante prediligono terreni acidi, altre basici; alcune amano i terreni sabbiosi, altre non li sopportano; alcune piante preferiscono terreni poveri, come diverse specie di orchidee, altre necessitano di un terreno ricco di sostanze nutritive.

Vento

Il vento ha effetti diversi secondo le specie di organismi.
La fauna e la flora marina del Golfo del Messico, per esempio, dipendono dal ferro trasportato con la sabbia dal deserto del Sahara; molti batteri, Protisti e anche Insetti dipendono dai nutrienti portati dal vento.
Tra gli effetti negativi citiamo la possibilità di creazione di radure nelle foreste; alcune piante sono inibite nella crescita a causa del vento; può aumentare la velocità di traspirazione negli animali e di evaporazione nelle piante: può andare bene d'estate, anche se viene potenziato l'effetto di disidratazione, ma rende meno ospitale l'ambiente nei climi molto rigidi.

Componente biotica: i livelli trofici

La componente biotica di un ecosistema è rappresentata da tutte le specie che lo occupano, cioè dalle comunità e dal ruolo che in esso svolgono, ossia le relazioni che si stabiliscono tra gli organismi.
Poiché la sopravvivenza di tutti gli organismi è data dal nutrimento, le principali relazioni sono di tipo alimentare, per cui il ruolo principale di una specie è di rappresentare il nutrimento per altre specie dell'ecosistema.
Queste relazioni di natura alimentare determinano la struttura trofica (dal greco trophos, "nutrimento") di una comunità. Sulla base di queste relazioni, le specie che compongono un ecosistema sono divise in diversi livelli nutrizionali detti livelli trofici, costituiti sostanzialmente da due gruppi: produttori e consumatori, che comprendono anche i  decompositori.
Spesso i livelli trofici non sono nettamente distinti perché alcune specie, gli onnivori, ottengono il cibo da più di un livello trofico.

Produttori

Al primo livello trofico si trovano i produttori primari: piante verdi sulla superficie terrestre; fitoplancton, alghe pluricellulari, piante acquatiche negli ecosistemi marini e d'acqua dolce. La produzione è detta primaria perché parte da sostanze inorganiche.
Si tratta di organismi autotrofi che trasformano l'acqua e l'anidride carbonica, grazie all'energia solare, in composti organici, mediante la fotosintesi clorofilliana. Come sottoprodotto rilasciano ossigeno nell'atmosfera, indispensabile per la respirazione.
Le sostanze organiche sintetizzate sono da loro stessi utilizzate e incorporate nei tessuti, con le quali sostentano tutti gli altri organismi dell'ecosistema.

Consumatori

I consumatori sono organismi eterotrofi che, non essendo in grado di produrre il cibo da soli, sono costretti a nutrirsi di altri organismi.
I consumatori sono anch'essi produttori di materia organica, detta produzione secondaria.
In questa categoria possiamo individuare diversi livelli trofici.

Consumatori primari

Al secondo livello trofico si trovano i consumatori primari, organismi eterotrofi che si nutrono direttamente ed esclusivamente dei prodotti della fotosintesi: piante o alghe, cioè gli erbivori; essi incorporano una parte dell'energia e delle sostanze chimiche nei propri tessuti e impiegano il resto per i processi vitali.
Comprendono una grande varietà di specie: Insetti, Gasteropodi, Zooplancton, Mammiferi pascolatori (bovini, ovini, ecc.) e Uccelli che si cibano di semi e frutti.
In ambiente acquatico abbiamo Molluschi, Crostacei, Pesci pelagici, che si nutrono di fitoplancton e anche grandi Mammiferi marini, come il Dugongo, che si ciba di alghe.

Consumatori secondari

Al terzo livello trofico si trovano i consumatori secondari, cioè i carnivori che si cibano dei consumatori primari (erbivori). Appartengono a questa categoria gli Aracnidi, i Pesci, gli Anfibi, gli Uccelli insettivori, i Rettili che si nutrono di Insetti, serpenti che si nutrono di Anfibi, carnivori di grandi dimensioni come i lupi e i leoni (quando si nutrono di erbivori).

Consumatori terziari

Al quarto livello trofico si collocano i consumatori terziari, cioè i carnivori che si cibano di altri carnivori, come il pitone, lo squalo, il lupo e la volpe (quando si nutrono di piccoli mammiferi), tutti i Felini.

Consumatori quaternari

Secondo il tipo di preda, i carnivori possono anche essere consumatori quaternari (superpredatori), cioè al quinto livello trofico. Queste specie, che non hanno predatori naturali, si nutrono dei consumatori terziari e comprendono animali come l'orca, l'aquila reale e anche gli esseri umani.

Detritivori

Una particolare categoria di consumatori è quella dei detritivori. Si tratta sempre di organismi eterotrofi saprofagi: Protisti e altri microorganismi animali, Acari, Anellidi, Nematodi, Centopiedi e Millepiedi, Insetti coprofagi o che sminuzzano le foglie morte, Crostacei, ma anche grandi animali che si nutrono di carogne, come gli avvoltoi, gli sciacalli, le iene (animali spazzini), che ricavano il nutrimento dai rifiuti degli altri organismi o dai frammenti di organismi morti, come esoscheletri abbandonati dopo la muta, foglie cadute, rifiuti organici e cadaveri, dando l'avvio alla decomposizione.
Da queste sostanze ricavano energia, mentre la materia viene a trovarsi in uno stato di decomposizione ulteriormente avanzato, pronto per i decompositori.

Decompositori

Infine abbiamo i decompositori, organismi eterotrofi saprofiti, principalmente Funghi, Batteri e Protisti, che si nutrono dei prodotti di scarto di tutti gli altri organismi, rendendo nuovamente disponibili nell'ambiente per la produzione primaria le sostanze inorganiche (acqua, anidride carbonica, sali minerali di azoto, fosforo e zolfo).
Essi producono enzimi che, secreti all'esterno, intaccano la materia organica, provocandone la demolizione.

Le catene e le reti alimentari

Nella figura sono presentati i livelli trofici che nel paragrafo precedente sono stati descritti in modo distinto: un coniglio che mangia l'erba è mangiato da un serpente, che è mangiato da una mangusta, che è mangiata da un'aquila.
Questa successione lineare dove, a partire dai produttori, ogni livello trofico si ciba di una specie del livello sottostante, costituisce una catena alimentare, dove ogni elemento è un anello della catena. In ogni ecosistema terrestre o acquatico esistono di solito più di una catena alimentare.

Raramente, tuttavia, in un ecosistema naturale abbiamo gruppi ben definiti di consumatori primari, secondari e terziari. Infatti, una specie, secondo la situazione, può comportarsi come consumatore primario, secondario e anche terziario. Per esempio, il serpente, può nutrirsi di un erbivoro, ma anche di un carnivoro; lo stesso vale per la mangusta e per l'aquila. Perfino la Drosera, pianta carnivora, svolge la funzione di produttore primario e anche di consumatore secondario.
Per questo motivo è più preciso parlare di rete alimentare, costituita da catene alimentari interconnesse, che meglio descrive la reale struttura trofica di una comunità complessa.
Nella figura sotto è rappresentata la complessa rete alimentare della baia di Chesapeake, nella costa orientale degli Stati Uniti.

In ogni anello della catena si inseriscono i detritivori e i decompositori, che si nutrono a ogni livello trofico dopo la morte degli organismi che lo compongono.
Questi organismi trasformano la materia organica in sostanze semplici, in modo da poter essere nuovamente utilizzate dai produttori, completando il ciclo della materia.

La catena alimentare è una struttura che si trova in un equilibrio molto fragile. La modifica di un solo anello può comportare l'alterazione dell'intero ecosistema.
Quando, per esempio, una specie aliena (alloctona) arriva in un ecosistema - introdotta accidentalmente o volontariamente dall'uomo - che non rappresenta il suo habitat naturale, si trasforma in una specie invasiva, poiché non trova predatori locali.
Ne sono esempi i cinghiali, introdotti sui Colli Euganei per la caccia, che distruggono le colture e numerose specie spontanee come le orchidee. Portarli in un'altra località non rappresenta una soluzione perché si trasferisce il problema in un altro territorio; nemmeno l'introduzione dei lupi, loro predatori naturali, è ben vista dalla popolazione locale.
Un altro esempio è il granchio blu (Callinectes sapidus), che provoca enormi danni all'ecosistema acquatico dell'Adriatico, in particolare nelle lagune e lungo le coste come nel Delta del Po, divorando molluschi, bivalvi e pesci autoctoni, distruggendo la biodiversità e danneggiando gli attrezzi da pesca con le sue potenti chele.