Ecologia/Cicli biogeochimici

Pool di riserva e pool di scambio

Energia e materia sono due fattori che identificano l'ambiente. L'unica differenza rilevante è che l'energia non può essere né creata né distrutta, arriva sulla Terra in quantità molto abbondante e attraversa il sistema. Si parla allora di flusso in quanto l'energia è infinita; la materia invece non lo è e quindi deve essere riciclata, per questo si parla di ciclo.

La materia è contenuta in un pool di riserva, ovvero un dato compartimento ambientale dove ci sarà la presenza di tanta componente di quella materia. L'atmosfera, come ben sappiamo, è costituita per la maggior parte da azoto, carbonio e ossigeno. Poiché esiste la vita, questa materia inizia a muoversi da un organismo a un altro costituendo un pool di scambio.

Ciclo del carbonio

La CO₂ nell'atmosfera rappresenta il principale vettore tra i vari comparti. La fotosintesi toglie CO₂ dall'ambiente e produce biomassa. La biomassa prodotta viene utilizzata a livello della rete alimentare e resa di nuovo disponibile attraverso il processo di diffusione. Il carbonio in eccesso forma con l'acqua carbonati e bicarbonati, che troviamo soprattutto nell'acqua e quindi negli oceani.

La fotosintesi produce energia di tipo chimico che con la respirazione viene bruciata e ridotta di nuovo a energia elettromagnetica. Si produce energia di tipo chimico ma anche materia organica (glucosio). Con la creazione di sistemi come il motore a combustione ci siamo liberati dalla dipendenza dell'energia prodotta dalle piante al fine di produrre energia per altri scopi e non più solo per il mantenimento biologico. Questo ha portato però a un aumento della CO₂, che, essendo un gas a effetto serra, rallenta l'uscita degli infrarossi dal sistema terrestre. Questo fenomeno fa sì che gli infrarossi ristagnino e la temperature aumenti, determinando così un cambiamento di clima.

Guardiamo ora come avviene il percorso del carbonio. Il cadavere di un animale viene mineralizzato mediante decomposizione a opera di alcuni microrganismi. Tutta l'energia chimica liberata è sotto forma di infrarosso e sopratutto la materia viene mineralizzata, ossia subisce una trasformazione in materia inorganica. Questa non può essere assimilata da organismi eterotrofi. A questo punto intervengono le piante, che trasformano la materia inorganica in organica, assimilabile dagli organismi eterotrofi come gli erbivori. In seguito l'erbivoro verrà mangiato dal carnivoro, che assimilerà a sua volta materia organica che poi subirà mineralizzazione una volta che l'individuo andrà incontro alla morte. Il punto chiave del ciclo del carbonio è quando viene utilizzato nella sua forma organica: questo utilizzo produce infrarosso ma mineralizza anche la materia organica. Così facendo gli organismi che compiono questo processo mantengono il ciclo della materia. I produttori primari poi riprendono la materia inorganica generata e, attraverso l'energia fornita dalla luce solare, organicano il carbonio rendendolo disponibile ai vari livelli trofici.

Ciclo del fosforo

La materia che si trova in forma inorganica è di difficile assimilazione. Per esempio abbiamo bisogno di fosforo per sopravvivere, ma non possiamo assimilarlo così com'è: per questo dobbiamo acquisirlo in forma organica. Fortunatamente i produttori primari riescono a fare anche questa trasformazione. La materia può assumere diverse forme a seconda di come si conforma la molecola. Il fosforo fortunatamente si trova in natura sotto forma di ortofosfato.

Esso si trova nel tessuto nervoso e nelle ossa, e fa parte della struttura delle membrane cellulari di tutti gli esseri viventi. Inoltre, viene utilizzato in tutte le trasformazioni dove si scambia energia a livello cellulare (ATP) ed è costituente di tutte le catene nucleotidiche (RNA e DNA). Le rocce sono i depositi naturali di fosforo, che viene rilasciato da esse attraverso il dilavamento, l'erosione e l'attività estrattiva finalizzata alla produzione di fertilizzanti. La presenza di acqua aiuta a reperire fosforo: l'ortofosfato all'interno dell'acqua si scioglie e può essere trasportato facilmente fino a un produttore primario che lo assorbe attraverso le radici. L'organismo poi trasforma questo fosfato di forma inorganica nella sua forma organica e così facendo lo rende disponibile ai livelli trofici successivi. Con la morte dell'organismo, il fosforo viene mineralizzato e il ciclo ricomincia.

Ciclo dell'azoto

Nel comparto di riserva dell'atmosfera, su 100 parti d'aria (100%) si ha:

• 78% di azoto,
• 21% di ossigeno,
• 1% di altri gas, tra cui anidride carbonica.

L'azoto è presente in diversi stati di ossidazione come pure in forma organica e inorganica. Questo significa che ci saranno diverse forme biologiche che potranno utilizzare l'azoto nelle diverse valenze. In atmosfera l'azoto è presente in forma di N₂: i due atomi sono legati attraverso legame triplo che gli permette di rimanere inerte. Alcuni organismi attuano la rottura di questo legame fino alla formazione di ione ammonio attraverso un processo chiamato azotofissazione. Questa forma viene utilizzata dai produttori primari che creano macromolecole a carattere organico con diverse finalità, e in questa forma l'azoto circola nella rete alimentare.

Come sempre la materia muore andando incontro al processo di decomposizione. In questo modo si ritorna allo ione ammonio con il processo di mineralizzazione.

Lo ione ammonio viene anche utilizzato dai batteri che compiono la chemiosintesi, attraverso la quale formano i nitrati. Anche i nitrati possono essere usati dai produttori primari, ma questi presentano tre atomi di ossigeno. Esistono quindi organismi che, invece di respirare ossigeno atmosferico, sfruttano i nitrati: facendo ciò producono azoto in forma di N₂ come scarto del processo respiratorio.

Ciclo dell'acqua

L'acqua è un elemento limitato. La sua molecola presenta un dipolo elettrico che consente la formazione di legami idrogeno abbastanza deboli tra le molecole (coesione), tanto che basta poca energia per causarne la rottura. L'acqua presenta degli spazi tra le molecole e ha delle cariche elettriche che la rendono un buon solvente. Quest'ultimo aspetto consente il trasporto di tutti gli ioni che abbiamo nominato in precedenza.

La densità dell'acqua è un fattore molto importante: la sua massima raggiunge i 3,98 m/V e si posiziona sui 4°C e al di sotto tende a diminuire. Continuamente durante l'anno l'acqua passa da una forma più leggera a una più pesante, e ogni volta che cambia di densità si muove. Questo movimento permette alle grandi masse d'acqua di muoversi. Inoltre, avendo un alto calore specifico, l'acqua non subisce immediatamente un calo di temperatura; di conseguenza per far aumentare la temperatura di un grado di un'unità di massa d'acqua c'è bisogno di molte calorie, così da far entrare in vibrazione le molecole. Per questo motivo le variazioni termiche dell'emisfero sud sono molto meno evidenti, perché l'acqua assume molto calore rilasciandolo molto lentamente. Organismi che vivono in acqua non necessitano di un sistema che permetta il mantenimento della temperatura.

La tensione superficiale è data dalle molecole di acqua che formano una patina, spesso usata da organismi molto piccoli per camminare. La viscosità invece esprime la resistenza che un corpo incontra nel muoversi dentro un fluido. La resistenza dipende dalla superficie del corpo, dalla sua velocità, dalla concentrazione delle sostanze disciolte e dalla temperatura. L'acqua infatti può essere considerata un fluido poco viscoso per un natante di grandi dimensioni, ma per un batterio o protozoo è relativamente molto viscosa, ed è per questo che tali microrganismi non sono in grado di provocare turbolenze, il flusso del fluido intorno ad esso risulta essere perfettamente laminare.

L'inerzia è proporzionale alla lunghezza del natante e alla sua velocità. Il numero di Reynolds mette in relazione proporzionale l'inerzia e la viscosità:

$Re=LU/V$

dove $L$ è la lunghezza del natante, $U$ la sua velocità e $V$ la viscosità cinematica dell'acqua, il risultato è un numero puro e pertanto non ha dimensioni.

• $Re<2000$ non vi è turbolenza e il flusso risulta laminare.
• $Re>2000$ il flusso è turbolento con formazione di vortici.

Quando il valore è molto basso, allora l'organismo è piccolo e si muove a scatti; se il valore è alto invece i pesci mantengono l'inerzia con effetti di viscosità minori.

La disponibilità idrica è molto elevata. Tuttavia l'acqua è per la maggior parte salata, ma anche il concetto di dolce e salato non è corretto: entrambe, sia le acque salate sia le acque dolci, contengono soluti e spesso sono sali.