Ogni organismo per vivere ha bisogno di due cose: materia, con cui costruire le diverse parti del corpo, ed energia per svolgere le funzioni vitali.
I produttori sono in grado di costruire comporti organici a partire da sostanze inorganiche, mentre gli altri organismi devono assumere i nutrienti da altri organismi di un livello trofico inferiore. Tuttavia, la quantità di materia disponibile non è illimitata, perciò deve essere continuamente riciclata e trasferita da un organismo a un altro di livello trofico superiore, in un ciclo interno agli ecosistemi.
I cicli della materia saranno descritti nella pagina successiva.
Diversa invece è la situazione per quanto riguarda l'energia. Questa, infatti, entra nell'ecosistema come energia solare e poi è trasformata dai produttori primari, mediante fotosintesi, in energia chimica che, a sua volta, è utilizzata dai consumatori, dai detritivori e dai decompositori per i propri processi vitali.
L'energia, perciò non viene riciclata, ma parte è impiegata dai livelli trofici superiori e parte è dispersa sotto forma di calore. L'energia, dunque, fluisce nell'ecosistema con un flusso unidirezionale, continuamente alimentata dal Sole.
Le piramidi ecologiche
Attraverso le catene e le reti alimentari si ha un flusso di energia e il passaggio di materia da un livello trofico a un altro. Tuttavia, catene e reti alimentari descrivono le relazioni trofiche che si stabiliscono all'interno di un ecosistema, ma non ci danno le dimensioni quantitative di ogni livello.
Per fare questo si costruiscono le piramidi dei numeri, dell'energia, della biomassa, utili anche per valutare l'efficienza energetica di un ecosistema.
La piramide dei numeri
La piramide dei numeri è un grafico che rappresenta il numero degli individui presenti in ogni livello trofico in un determinato momento.
Si noti nella figura come i gradini decrescano man mano che si sale di livello trofico. Infatti, generalmente il numero dei produttori in un ecosistema è nettamente superiore a quello degli erbivori e il numero delle prede non è mai inferiore a quello dei predatori. In genere gli organismi di piccola mole sono sempre numerosi e si riproducono rapidamente, mentre quelli di grande mole sono meno numerosi e si riproducono lentamente.
Esistono delle eccezioni. Per esempio, in una foresta di sequoie esistono pochi alberi di grandi dimensioni (produttori) che però sono in grado di sostentare un gran numero di Insetti (consumatori primari).
Il motivo per cui si riduce il numero di individui passando da un livello trofico al successivo dipende dal fatto che parte dell'energia disponibile in ciascun livello viene dispersa in calore e quindi non è più disponibile per il livello successivo.
La piramide di biomassa
La piramide di biomassa misura graficamente il peso secco per unità di superficie (g/m2) della materia organica, definita biomassa, costituente ciascun livello trofico.
Come nella piramide dei numeri, la piramide di biomassa è costituita da gradini di dimensioni decrescenti, dove la biomassa dei produttori primari è molto maggiore di tutte le altre, e che queste ultime sono decrescenti via via che si sale di livello trofico.
Per questo motivo una catena alimentare generalmente non comprende più di quattro livelli trofici, poiché il quarto livello non ha una biomassa sufficiente a sostenere un livello trofico superiore.
Anche nelle piramidi di biomassa si può avere una forma irregolare. Per esempio, in alcuni ecosistemi acquatici, una piccola quantità di fitoplancton (produttori) sostenta una quantità maggiore di zooplancton (consumatori primari).
La piramide di energia
La piramide di energia descrive la quantità di energia contenuta in ogni livello trofico, per unità di superficie e per unità di tempo, inoltre mette in evidenza la perdita di energia tra un livello trofico e il successivo.
La piramide è raffigurata da una serie di gradini che a ogni passaggio di livello trofico si riducono di dimensione.
Infatti, il Sole produce una quantità enorme di energia, ma solo l'1% è disponibile per gli organismi viventi poiché gran parte è riflessa dall'atmosfera e dalla superficie terrestre e un'altra parte riscalda la Terra, gli oceani e atmosfera.
Di questo 1% i produttori ne catturano solo il 3%, perciò gli ecosistemi si sostengono con meno dello 0,03% della luce solare in arrivo.
Poiché, in base al secondo principio della termodinamica, nessuna trasformazione energetica spontanea può avere un rendimento del 100%, a ogni passaggio di livello trofico, una parte è impiegata per le funzioni vitali e la costruzione dell'organismo e un'altra è dispersa sotto forma di calore. Bisogna tenere presente anche che i prodotti dell'escrezione contengono ancora una certa quantità di energie chimica, che viene perduta sia dagli organismi che li producono, sia dai predatori di quegli organismi, anche se una parte è recuperata dai decompositori. Inoltre, ci sono parti dell'organismo che non sono commestibili e alcuni individui muoiono senza essere mangiati dagli organismi del livello trofico superiore. Infine, parte dell'energia sostiene fenomeni non biologici, come gli incendi.
Anche per quanto riguarda i produttori abbiamo una perdita dell'energia. Infatti quando in una pianta le foglie cominciano a spuntare e quando ha raggiunto la fine dello sviluppo vegetativo, la fotosintesi è praticamente inattiva. Inoltre, non tutte le lunghezze d'onda sono assorbite nella fotosintesi con la medesima intensità.
È inevitabile, quindi, che si verifichi una certa perdita di energia nel trasferimento da un livello trofico all'altro.
Si calcola che solo il 10% circa dell'energia immagazzinata in un livello trofico arrivi al livello successivo (Legge del 10% o del decimo ecologico). Ne consegue che più livelli trofici sono presenti, minore è il quantitativo disponibile per gli organismi di ogni livello trofico superiore.
Quanta energia sia effettivamente dispersa dipende da quali organismi compongono la biocenosi dell'ecosistema e da alcune variabili, come le stagioni.
Diversamente dalla piramide di biomassa o dei numeri, che possono essere capovolte, questo non può mai avvenire nella piramide dell'energia, come conseguenza della legge della conservazione dell'energia, cioè la prima legge della termodinamica.
In media, dunque, gli organismi consumano per le proprie funzioni vitali e disperdono in calore il 90% dell'energia assimilata, trasferendone solo il restante 10% al livello trofico superiore. Per questo, minore è il numero di livelli trofici, maggiore è l'energia disponibile.
Per esempio, la popolazione umana ha circa 10 volte più energia disponibile quando mangia cereali, piuttosto che quando si nutre di animali che, a loro volta, si nutrono di cereali, perché c'è un passaggio in meno nella catena alimentare. Infatti, buona parte dell'energia è incamerata dagli animali per il loro metabolismo.
La produttività
Ricapitolando, ogni organismo terrestre o marino ricava l'energia per le proprie funzioni vitali dal nutrimento. Ciò avviene mediante la trasformazione dell'energia solare in energia chimica da parte degli organismi autotrofi attraverso la fotosintesi.
La velocità, in una determinata unità temporale, in cui avviene questa trasformazione in un ecosistema, è definita produttività primaria lorda (PPL).
Poiché una parte dell'energia è utilizzata per la respirazione cellulare (R), onde consentire il mantenimento delle funzioni vitali, la differenza tra i due valori, nella medesima unità temporale è la produttività primaria netta (PPN).
PPN = PPL - R
In pratica, la produttività primaria netta è l'energia solare, immagazzinata sotto forma di energia chimica, che gli organismi fotosintetici rendono disponibile per il resto della comunità in un dato periodo di tempo: quanto più grande è la produttività primaria netta, tanto maggiore è il numero di consumatori che può vivere in un ecosistema.
La produttività di un ecosistema è influenzata da un gran numero di variabili ambientali, quali la disponibilità di nutrienti minerali o organici per gli organismi autotrofi, la quantità di luce solare, la presenza di acqua e la temperatura.
La produzione primaria netta è invece la quantità totale di biomassa accumulata in un dato periodo temporale per unità di superficie.
La produttività secondaria è la velocità di immagazzinamento dell'energia chimica (materia organica) da parte degli eterotrofi.
La produttività secondaria equivale solo al 10% di quella primaria perché gli erbivori consumano solo il 2-3% della produzione primaria e perché solo una parte dell'energia contenuta negli alimenti è trasformata in produzione secondaria, in quanto una parte non viene assorbita e i ⅔ è impiegata nei processi respiratori.
La produzione secondaria indica invece la produzione di nuova biomassa dai livelli eterotrofi della catena alimentare.
