TRASFERIMENTO DELL’ENERGIA cap.12 L’energia è la capacità di compiere un lavoro. Dell’immensa quantità di energia solare ricevuta quotidianamente in un ecosistema , solo una piccola quantità viene trasformata dai viventi. Tutto il resto viene irradiato nello spazio sotto forma disorganizzata e non più recuperabile per compiere lavoro, cioè in calore.

Le proprietà dell'energia vengono descritte dalle leggi della termodinamica: 1. l’energia può essere convertita da una forma all’altra ma non può essere creata né distrutta. 2. nelle trasformazioni energetiche, parte dell’energia passa da una forma concentrata ad una dispersa (calore)

1° principio: Nella foglia la luce assorbita dà luogo alla fotosintesi con la produzione di sostanze organiche che contengono energia potenziale, che si trasforma in altri tipi di energia quando il nutrimento viene utilizzato dagli organismi

La foglia non è altro che un sistema di conversione dell’energia. 2° principio: la foglia assorbe l’energia solare contemporaneamente riscaldandosi; tale calore viene dissipato verso l’esterno, solo una piccola parte dell’energia solare viene trasformata in energia potenziale chimica. La foglia non è altro che un sistema di conversione dell’energia.

Il flusso di energia in un ecosistema il flusso energetico è a senso unico (dal Sole alla Terra); il movimento della materia (cioè delle sostanze nutritive) è circolare.

Trasferimento dell’energia in un ecosistema Le relazioni tra le diverse componenti di un ecosistema sono così strette che, se una di esse viene danneggiata, l'intero ecosistema risulta turbato. Le principali relazioni sono quelle costituite dai flussi di energia e dai flussi di nutrienti.  L'ecosistema è un sistema aperto rispetto all'energia, cioè l'energia entra ed esce continuamente dal sistema. L'energia entra nell'ecosistema principalmente dal sole, attraversa la comunità biotica e la sua catena alimentare, e fuoriesce sotto forma di calore, materia organica e organismi prodotti.

Trasferimento dell’energia in un ecosistema  Il trasferimento di energia attraverso la catena alimentare è accompagnato da perdite sotto forma di calore dissipato nell'ambiente, seguendo il secondo principio della termodinamica. Ciò significa che nel nutrimento dei carnivori sarà disponibile meno energia di quanta è a disposizione degli erbivori, che a loro volta ricevono dal loro nutrimento meno energia di quanta ne venga utilizzata dalle piante nel processo di metabolizzazione del nutrimento stesso (la materia organica formata grazie al processo di fotosintesi). Il trasferimento percentuale di energia da un livello trofico al successivo viene definito "efficienza ecologica" o efficienza della catena alimentare.

Ecosistema terra La vita nell’ecosistema terra dipende da fonti di energia: Energia solare (org. Fotoautotrofi in molti ecosistemi ) Sorgenti idrotermali (org. Chemioautotrofi in pochi ecosistemi )

L’ambiente energetico

Energia solare diretta sulla terra Il 30 % viene riflessa indietro nello spazio da nubi e pulviscolo Il 20 % assorbita dall’atmosfera Il 50 % raggiunge la terra, di questa una piccola parte viene riflessa dalle superfici chiare, mentre la maggior parte viene assorbita dagli oceani ( ciclo acqua) e dalla superficie del terreno ( una parte irradiata sotto forma di raggi infrarossi /calore)

Quanta energia possono utilizzare i viventi? Solo lo 0.1% su scala globale è convogliata verso i viventi; Da 1% a 3 % nelle aree con intensa vegetazione ( foresta, palude..) ; Questa piccola % garantisce in presenza di acqua e anidride carbonica la sintesi di sostanza organica detta PP( produzione primaria ) grazie ai processi di chemiosintesi e fotosintesi.

Leggi che regolano il funzionamento degli ecosistemi Il flusso energetico è a senso unico ( dal sole alla terra) Il movimento delle sostanze nutritive è circolare Nelle catene alimentari l'energia fluisce da un livello trofico all'altro, ma ad ogni passaggio una quota si trasforma in calore.

Produzione primaria lorda nelle comunità terrestri La produzione primaria lorda ( PPL) è una misura della quantità di sostanza secca prodotta da una pianta mediante la fotosintesi. Viene misurata in unità di massa secca riferita all’unità di superficie e all’unità di all’unità di tempo ( g/mq . a ) Parte di questa energia viene usata dai vegetali per il proprio metabolismo, e persa attraverso la respirazione (R) perchè riconvertita in acqua e anidride carbonica; La massa secca rimanente è detta produzione primaria netta ( PPN).

Produttività primaria netta PPN: rappresenta la differenza tra PPL ed energia persa con la respirazione. E’ quindi il tasso effettivo di produzione di materia vegetale, disponibile per i livelli trofici successivi. PPN = PPL –R La produzione primaria netta espressa come massa secca in g/mq .a La PPN varia nelle diverse comunità terrestri Osserva tabelle testo pag. 164 e pag.166)e rifletti su tre ecosistemi ( foreste tropicali, estuari,mare aperto)

La PPL e PPN è variabile nei vari ecosistemi Tipi diversi di comunità differiscono notevolmente nelle loro PPN. Quali possono essere i fattori che influenzano tali differenze? In generale saranno i fattori che influenzano la fotosintesi!

FOTOSINTESI Fattori limitanti Luce Acqua Temperatura Carbonio inorganico (diossido di carbonio) Sali minerali e nutrienti

In acqua la luce è il l fattore che più di tutti influenza l'assimilazione del carbonio nonostante i meccanismi di adattamento (diversificazione dei pigmenti fotosintetici, adattamento all'intensità luminosa e alle sue diverse lunghezze d'onda, alla temperatura e alla concentrazione dei nutrienti) adottati dalle specie del fitoplancton. Poiché la radiazione luminosa diminuisce con la profondità anche la produzione primaria è limitata alla parte superficiale degli oceani.

In acqua il tasso fotosintetico diminuirà con la profondità, parallelamente all'intensità luminosa fino a giungere ad un punto nel quale i processi di produzione uguaglieranno, in media nell'arco delle 24 ore, quelli di respirazione. Questa profondità viene indicata come profondità di compensazione e la corrispondente intensità luminosa come intensità di compensazione. Al di sotto di questa quota il processo fotosintetico potrà continuare, ma con bilancio negativo: la materia organica prodotta sarà consumata nei processi catabolici.

Nutrienti in ambiente acquatico Negli ecosistemi acquatici la PP è buona solo se c’è discreta disponibilità di sostanze nutritive come negli estuari, e nelle scogliere madreporiche ; Nel mare aperto si ha una produttività primaria minima , a causa della scarsa concentrazione di N e P che sono fattori limitanti per il rendimento dei processi di PP; altri macronutrienti limitanti sono: S,Ca,Fe,Mg.

STIME DEL RENDIMENTO FOTOSINTETICO Le prime stime del rendimento della fotosintesi vennero calcolate utilizzando i dati provenienti da un campo di mais. Per questo era necessario conoscere i dati relativi alla biomassa prodotta nel campo. Una volta calcolata la biomassa era possibile stimare il rendimento: si verificò che il 98% della radiazione incidente non veniva utilizzato per la fotosintesi. Misurazioni più recenti indicano che la resa fotosintetica raramente supera il 3,5%; in condizioni particolari (ad esempio in serra) si arriva all’8%.

COME STIMARE LA PP La PPN equivale alla PPL al netto del dispendio energetico dovuto a tutte le attività metaboliche , questo dispendio può essere considerato l’equivalente dei costi sostenuti da un’azienda . La PPN generalmente viene espressa come la quantità di energia ( misurata in calorie )accumulata nei composti chimici o come l’aumento della biomassa, ossia del peso secco totale ( misurato in grammi o tonnellate ) di tutto il materiale organico che si forma in un determinato periodo di tempo. La PPN è una misura di come gli organismi accumulano l’energia che poi diventerà disponibile agli organismi del livello trofico successivo.; tale misura consente di capire qual’è il flusso di energia in un ecosistema ai fini del proprio funzionamento.

Metodi di stima della PP La PP implica flussi di CO2, H2O,O2 , nutrienti e accumulo di materia organica. Le stime di PP implicano la misura di una o più velocità di tali flussi: �Metodo del raccolto Misura della captazione di CO2

Metodo del raccolto Misura del peso secco della biomassa asportata ad intervalli regolari/unità spaziale (parti aeree e/o parti sotterranee). � Applicazioni limitate a monocolture Il valore può essere convertito in kcal mediante bomba calorimetrica del contenuto calorico medio della biomassa dei produttori.

METODO DEL RACCOLTO Affinchè la misura sia attendibile devono essere rispettate alcune condizioni: 1. Non ci devono essere perdite di biomassa durante la stagione di crescita 2. Il raccolto deve essere effettuato su una comunità composta da una sola specie o da più specie con lo stesso ciclo vitale 3. Non ci deve essere consumo da parte del livello trofico successivo

Misura della captazione di CO2 � Per le piante terrestri una maniera diretta è quella di misurare i cambiamenti di concentrazione di CO2 nell'aria attorno alle piante. � A questo fine si racchiude una pianta o parte di essa in un involucro trasparente e si misurano i flussi di CO2. � Esiste un preciso rapporto tra quantità di energia solare catturata da una pianta e la quantità di CO2 scambiata con l'atmosfera. � L'energia solare necessaria perché avvenga la reazione è esattamente 709 kcal. Perciò lo scambio di 6 moli di CO2 indica che sono state assorbite 709 kcal. � il peso atomico del carbonio è12 quindi lo scambio di 6 x 12 = 72 g C equivale ad introitare 709 kcal. Naturalmente la stessa equivalenza si ha anche nel processo di respirazione

PP in ambiente acquatico La PP in ambiente acquatico a carico delle macrofite può essere misurata con il metodo del raccolto; Per il fitoplancton : misura dell’ossigeno con n bottiglie chiare e scure a diversa profondità. Dopo 24h si misura la variazione di Ossigeno( bottiglie trasparenti fotosintesi e respirazione; bottiglie scure ,respirazione). Concentrazione di clorofilla. La disponibilità di clorofilla è correlata alla fotosintesi. Scala spaziale ampia: rilevamento satellitare , sfrutta la riflettanza dello spettro visibile misurando i valori di radianza spettrale.

Piramide dell’energia La piramide dell’energia rappresenta il flusso di energia da un livello trofico di una comunità al livello trofico consecutivo. Dà quindi una quadro completo del flusso di energia all’insù lungo una rete alimentare. Le dimensioni fisiche di una piramide dell’energia sono quelle di un’energia riferita a un’area e a un intervallo di tempo. L’unità di misura è: KJ/ (ha.a ).La piramide ecologica dell’energia non può essere mai invertita: la base è rappresentata dai produttori ed il vertice dai consumatori finali. Essa dimostra che l’energia disponibile diminuisce ad ogni passaggio da un livello trofico al successivo.

Piramide dell’energia Flusso energia solare- produttori 1% ; Flusso nei livelli trofici successivi 10 %

SINTI