Sistemi Ambientali
Ogni sistema ambientale è composto da cinque elementi:
- un territorio ovvero una porzione di volume planetario sia terrestre, sia acquatico;
- tutti gli organismi viventi eventualmente presenti su tale territorio, ivi incluso l’uomo;
- tutti i fattori abiotici presenti su tale porzione di territorio: radiazione solare, aria, acqua, polveri di roccia e necromassa, ivi incluse le infrastrutture, le strutture e gli altri prodotti delle attività umane;
- tutte le relazioni tra organismi viventi (se presenti), tra organismi viventi (se presenti) e fattori abiotici, e tra fattori abiotici, senza nessun vincolo sui flussi di energia e materia;
- il tempo che inizia dalla formazione del sistema ambientale e termina con la distruzione del sistema ambientale; il tempo serve per studiare il profilo dinamico del sistema ambientale.
Ecosistema
Ogni sistema ambientale, in cui siano presenti organismi viventi, dove l’impatto umano non va oltre il prelievo di cibo nella misura attuata da gruppi primitivi di raccoglitori, cacciatori e pescatori (RCP), gruppi di uomini oggi in pratica estinti, è un ecosistema.
Nel seguito alcune definizioni di ecosistema riportate nella letteratura scientifica:
The term ecosystem was first introduced by Tansley1 and refers to a spatially explicit unit of Earth that includes all the organisms, along with all components of the abiotic environment within its boundaries2.
Any entity or natural unit that includes living and non living parts interacting to produce a stable system in which the exchange of materials between the living and non living parts follows circular paths is an ecological system or ecosystem. The ecosystem is the largest functional unit in ecology, since it includes both organisms (biotic communities) and abiotic environment, each influencing the properties of the other and both necessary for maintenance of life as we have it on the earth. A lake is an example of an ecosystem3.
An ecosystem is a community of living organisms together with the physical processes that occur within an environment. All organisms are faced with environmental variables to cope with. These are usually divided into abiotic factors, …, and biotic factors, … 4
An ecosystem is the interacting assemblage of living things and their non living environment. … We human beings are integral, interacting components of ecosystems at every level, and in order to deal adequately with these systems, we have to recognize that simple fact. In most situations, even at the level of the biosphere, we may be an overriding, controlling component, but we are a component nonetheless5.
The word ecosystem is a short expression for ecological system. To some people, ecological system has become a synonym for environmental system. Other use the word ecosystem only for those system of nature that generally do not include humans. … An organized system of land, water, mineral cycles, living organisms, and their programmatic behavioral control mechanisms is called an ecosystem6.
- Tansley, A. G. (1935). The use and abuse of vegetational concepts and terms. Ecology 16:284-307.
- Turner, G. M., Gardner, R.H., O’Neill R.V. (2001). Landscape ecology in theory and practice: pattern and process. Springer-Verlag. ISBN 0-387-95123-7.
- Odum E.P. (1953) Fundamental of Ecology. W.B. Saunders.
- Pullin, A.S. (2002). Conservation biology. Cambridge University Press. ISBN 0-521-64482-8.
- Lyle, J.T. (1999). Design for human ecosystems : landscape, land use, and natural resources. Island Press. ISBN 1-559-63720-X.
- Odum, H.T. (1983). Systems Ecology: an introduction. Wiley Interscience. ISBN 0-471-65277-6.
Antroposistema
Ogni sistema ambientale, in cui siano presenti organismi viventi, dove l’impatto umano va oltre il prelievo di cibo nella misura attuata da gruppi primitivi di raccoglitori, cacciatori e pescatori (RCP), è un antroposistema.
Gli ecosistemi e gli antroposistemi sono sistemi ambientali con presenza di vita.
Tali sistemi si differenziano tra loro in base al criterio della presenza umana: dove l’impatto umano si limita all’impatto uomo RCP si ha un ecosistema, dove l’impatto umano va oltre la soglia anzidetta si ha un antroposistema.
Gaia
Gaia può essere rappresentata come un mosaico tappezzante tutta la superficie terrestre le cui tessere sono ecosistemi e antroposistemi.
Gaia, secondo T. M. Lenton, va intesa come un sistema termodinamico aperto, di scala planetaria, con abbondanza di vita, supportato dal flusso di energia libera proveniente da una stella, nel caso del pianeta Terra, dal Sole, una nana gialla (G-type main-sequence star, G2V), come Alpha Centauri, Tau Ceti e 51 Pegasi.
Quali sono le relazioni tra ecosistemi e antroposistemi? In termini di algebra degli insiemi possiamo dire che:
- l’unione di tutti gli ecosistemi e di tutti gli antroposistemi è l’ecosfera ovvero Gaia;
- l’intersezione tra antroposistemi ed ecosistemi è l’insieme vuoto;
- l’insieme di tutti gli ecosistemi è chiamato Cerere; Cerere è un sottoinsieme di Gaia;
- l’insieme di tutti gli antroposistemi è chiamato Prometeo; Prometeo è un sottoinsieme di Gaia;
- l’unione di uno o più ecosistemi con uno o più antroposistemi genera un paesaggio (Landscape o Seascape).
Se in un ecosistema o in un antroposistema viene a mancare la presenza di organismi viventi, il sistema non è più un ecosistema o un antroposistema ma è da considerarsi un sistema ambientale senza elementi biotici e relazioni connesse.
Pensiamo a un territorio su un satellite (es.: Luna) o su un pianeta (es.: Marte) senza vita, fino a prova contraria.
Come costruire un ecosistema?
Quindi, quali ingredienti servono per realizzare un ecosistema?
Servono cinque ingredienti:
- spazio (volume planetario),
- vita (organismi viventi, interconnessi tra loro in catene trofiche, reti alimentari e reti ecologiche),
- energia,
- materia (aria, acqua e polveri di roccia più necromassa),
- tempo.
Lo spazio e il tempo, mi spiace per Einstein, li diamo per scontati.
Andiamo allora a considerare gli altri tre ingredienti, fiduciosi o nella speranza che le relazioni tra le componenti (vita, energia e materia) si formino “spontaneamente”.
Vita
Che cosa è la vita?
Ancora oggi non sappiamo rispondere a questa domanda.
La definiamo come la capacità di un sistema di energia e materia di crescere, riprodursi, adattarsi (modificarsi in una certa misura), rispondere agli stimoli ambientali, in ultima analisi, come la capacità di vivere per poi morire.
Da un punto di vista chimico, c’è chi definisce la Vita come un sistema di energia e materia unite in una rete dinamica di reazioni, autosostenentesi, cineticamente stabile, derivata da reazioni autocatalitiche di replicazione.
La Vita è altresì una proprietà emergente che si manifesta nei sistemi molecolari basati sugli acidi nucleici soggetti a cicli di reazioni di replicazione, mutazione, complessificazione e selezione.
E il risultato del processo continuo di cicli di replicazione, mutazione, complessificazione e selezione è l’evoluzione.
Penso possa bastare.
Ancora oggi, l’uomo non sa costruire un organismo cellulare.
Può privare del genoma una cellula e inserire nella cellula priva di genoma un genoma ingegnerizzato composto di circa 500 geni e osservare che la cellula è capace di replicarsi.
Ma non può partire da energia e materia e costruire un organismo vivente (mi verrebbe da dire, ma non sarebbe scientifico: “grazie al cielo!”).
Quindi la vita resta un ingrediente essenziale di un ecosistema.
Con essenziale voglio dire che la vita non può essere costruita a partire da energia e materia, anche se alla fine un organismo vivente è energia e materia combinate insieme.
E tale ingrediente ecosistemico può solamente essere prelevato da un altro ecosistema esistente per essere introdotto nell’ecosistema che si vuole realizzare.
Energia
Una volta che in uno spazio abbiamo inserito degli organismi viventi, bisogna dare loro una fonte di energia.
Essa può essere fornita sotto forma di radiazione o di energia chimica contenuta in molecole con legami chimici che possono subire reazioni di ossidoriduzione.
Gli organismi che sono in grado di usare le radiazioni per produrre energia per vivere sono gli organismi dai quali si generano le comunità primarie fotosintetiche (cianobatteri, alghe e piante terrestri) e radiosintetiche (alcuni funghi).
Gli organismi che sono in grado di usare energia chimica da composti chimici inorganici ridotti per produrre energia per vivere sono gli organismi dai quali si generano le comunità primarie chemolitosintetiche.
ENERGIA – L’energia è la capacità di operare un cambiamento, in particolare è la capacità di fare un lavoro.
L’energia è unica, ma può essere classificata in due forme:
- energia cinetica ed
- energia potenziale.
Sono sottotipi di energia cinetica
- l’energia del moto di un qualsiasi corpo;
- l’energia termica associata con il movimento casuale di atomi e molecole; l’energia termica che si trasferisce da un corpo a temperatura maggiore ad una altro a temperatura inferiore è chiamata calore;
- la radiazione della luce che viene utilizzata dalle cellule fotosintetiche.
Sono sottotipi di energia potenziale
- l‘energia di posizione di un corpo (posizione alta vs posizione bassa) in un campo gravitazionale;
- l’energia chimica contenuta nei legami elettronici covalenti tra atomi di una molecola, nei legami ionici tra anioni e cationi, nelle interazioni deboli tra molecole (legami a idrogeno, forze di Van der Waals).
Nota
COMUNITÀ PRIMARIA è una comunità di organismi che per crescere e riprodursi impiegano,
- come fonti di energia, energia radiante e/o energia chimica ottenuta non da substrati organici, e,
- come fonti di materia, molecole estratte dalle matrici gaiane: aria, acqua, rocce, polveri di rocce e necromassa.
In pratica, sono organismi capaci di trasformare la materia non vivente in materia vivente.
Ci sono tre tipi di comunità primarie:
- comunità primarie fotosintetiche (clorofille),
- comunità primarie radiosintetiche (melanina) e
- comunità primarie chemolitosintetiche.
Materia: le tre Matrici Gaiane
Una volta che in uno spazio abbiamo introdotto degli organismi viventi e abbiamo fornito loro una sorgente di energia, dobbiamo aggiungere ancora un ingrediente: la materia ovvero il cibo appropriato per questi organismi viventi.
Il cibo è costituito dalle matrici gaiane. Tre sono le matrici gaiane:
- Aria, matrice gaiana allo stato gassoso: molecole di N2 (78%), O2 (21%), Ar, CO2. …)
- Acqua, matrice gaiana, a seconda della temperatura e della pressione del luogo, allo stato solido, liquido e gassoso: H2Os, H2Ol, H2Ov
- Polveri di rocce e necromassa, matrice gaiana allo stato solido:
- scheletro (pezzi di roccia, sassi, ghiaie):
- polveri di roccia (sabbie, limi, argille);
- necromassa (dead organic matter at all the stages of decomposition before the final step to get CO2, N2, and H2O and minerals again)
Non bisogna confondere le matrici gaiane con gli ecosistemi di base:
- Atmosfera, quando parliamo del Pianeta Terra, è un sistema ambientale con presenza di vita, quindi un ecosistema, con aria come matrice gaiana predominante;
- Idrosfera e Criosfera, quando parliamo del Pianeta Terra, sono entrambe sistemi ambientali con presenza di vita, quindi ecosistemi, con acqua come matrice gaiana predominante rispettivamente allo stato liquido e allo stato solido;
- Pedosfera, quando parliamo del Pianeta Terra, è un sistema ambientale con presenza di vita, quindi un ecosistema, con polveri di rocce e necromassa come matrice gaiana predominante.
Sfere
Il termine sfera in atmosfera, idrosfera, criosfera, pedosfera implica l’esistenza di una sfera ovvero di un contenitore fisico (spazio reale e, in questo caso, non spazio ideale) nel quale sono contenuti eventuali organismi viventi, tutte e tre le matrici gaiane, con la predominanza di volta in volta, di una di esse, ed energia.
L’energia è presente sia nei legami chimici di sostanze ridotte (energia potenziale), sia nei fotoni, i quanti di radiazione elettromagnetica (energia cinetica).
L’atmosfera, in senso biologico ed ecologico (non in senso fisico), ha un suo limite superiore che coincide con quella parte di essa che presenta assenza di vita.
L’atmosfera ha un suo limite inferiore che coincide con i limiti superiori di idrosfera, criosfera e pedosfera.
Idrosfera, criosfera e pedosfera, in senso biologico ed ecologico (non in senso fisico), hanno un loro limite inferiore che coincide con quella parte di esse che presenta assenza di vita.
Più ben definiti sono i confini di una sfera più facile sarà trattare la sfera come un sistema e, quindi, descrivere analiticamente le sue componenti, le relazioni tra le componenti (processi interni) e le relazioni tra la sfera e il suo ambiente (processi esterni).
È quindi erroneo e fuorviante affermare che la pedosfera è l’intersezione di atmosfera, idrosfera, litosfera e biosfera.
L’intersezione tra atmosfera, idrosfera, litosfera e biosfera è l’insieme vuoto, perché, per le definizioni sopra riportate, l’intersezione tra atmosfera, idrosfera e litosfera è l’insieme vuoto e l’intersezione tra l’insieme vuoto e la biosfera è di nuovo l’insieme vuoto!
La biosfera, essendo la sfera che contiene tutti gli organismi viventi, coincide con l’ecosfera, che coincide con Gaia e, quindi contiene dentro di sé anche le altre sfere: atmosfera, idrosfera, criosfera e pedosfera definite in senso biologico ed ecologico, non in senso fisico.
Nota: la litosfera è la sfera costituita dalla crosta terrestre e dalla parte superiore del mantello terrestre.
I suoli sono lo strato superiore della crosta terrestre e, quindi, della litosfera.
Per essere ancora più chiari:
- l’atmosfera non è la sfera che contiene tutte le molecole di aria secca (N2, O2, Ar, CO2, ecc.); molecole di aria secca sono presenti in tutte le altre sfere;
- l’idrosfera e la criosfera non sono le sfere che contengono tutte le molecole di acqua presenti sul pianeta Terra (H2O) allo stato di vapore, allo stato liquido e allo stato solido; molecole di acqua sono presenti in tutte le altre sfere;
- la pedosfera non è la sfera che contiene tutti gli ioni e le molecole minerali e tutti gli ioni e le molecole organiche che costituiscono la necromassa; ioni e molecole minerali e ioni e molecole organiche sono presenti in tutte le altre sfere.