Ecologia/Introduzione

Introduzione all'ecologia

L'ecologia cerca di comprendere la complessa organizzazione della materia vivente in rapporto alla realtà esterna; cerca cioè di capire come la materia vivente assume strutture complesse e si relaziona con quello che c'è all'esterno per certe finalità. L'ambiente esterno, per l'ecologo, significa due cose: materia ed energia. Prima di parlare quindi di organizzazione della materia vivente parleremo degli aspetti della materia e dell'energia che ci interessano. L'ecologia non è una materia che ha un corpus di conoscenze proprio, non ci sono aspetti propri dell'ecologo, bensì ci sono conoscenze che provengono da altre discipline e che vengono utilizzate per lo studio di sistemi complessi. L'ecologo sa utilizzare certe nozioni per prevedere e studiare ciò che succede. L'ecosistema è l'ultima organizzazione della materia vivente in relazione all'ambiente esterno, in cui la componente biologica interagisce con la materia e l'energia. Un sistema è un qualcosa che ha delle caratteristiche, composto da un sufficiente numero di elementi che sono in relazione tra loro e ogni funzione di ogni elemento è regolata.

Forme di energia

L'energia è la capacità di un corpo di svolgere un lavoro, facendo cambiare lo stato energetico di un sistema soggetto a tale lavoro. Crea una modifica sia nel bene che nel male. L'energia compie sempre un lavoro e se questo non è guidato può far accadere qualcosa di non voluto. Un esempio è l'energia nucleare. Esistono diverse forme di energia:

• energia cinetica: associata al moto;
• energia interna (calore): associata alla velocità degli atomi e delle molecole;
• energia potenziale: legata alla posizione nel sistema gravitazionale;
• energia elettromagnetica: veicolata dalla radiazione elettromagnetica (luce);
• energia chimica: contenuta nei legami molecolari.

L'unica energia che abbiamo a disposizione naturalmente è l'energia elettromagnetica data dal Sole.

Natura della radiazione solare

Lo zero assoluto si raggiunge a -273 gradi celsius ed è la temperatura più bassa presente nel sistema solare; questa corrisponde alla "morte termodinamica", in cui non avviene più alcun movimento molecolare e quindi non vi è energia. Tutti i corpi con temperatura superiore allo zero assoluto irraggiano energia: questa è emessa come onde elettromagnetiche che viaggiano alla velocità della luce. Sono stati identificati diversi tipi i radiazione a seconda della loro lunghezza d'onda: raggi gamma, raggi X, ultravioletto, visibile, infrarosso e radio. Tale energia avrà anche una certa qualità e quantità. Per rappresentare questi due aspetti ci si avvale di uno specchio elettromagnetico dove in ascissa troviamo la lunghezza d'onda e in ordinata il flusso luminoso per unità di tempo.

La qualità rappresenta la lunghezza d'onda. Lunghezze d'onda corte avranno quindi una capacità molto elevata di compiere lavoro e quindi di far cambiare stato ad un sistema, si tratta infatti di onde pericolose. Più la lunghezza d'onda aumenta, più la capacità do compiere lavoro si riduce. La forma dello spettro invece dipende dalla temperatura. In ecologia ci si interessa principalmente delle bande dell'Ultravioletto, del visibile e dell'infrarosso.

Per capire meglio i prossimi argomenti bisognerà rinfrescare la memoria sulle due leggi della termodinamica.

• Prima legge: l'energia non può essere né creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma all'altra.
• Seconda legge: ogni volta che l'energia si trasforma, ovvero ogni volta che compie un lavoro, una quota di questa energia viene persa sotto forma di calore.

Collegandoci a ciò che è detto nella seconda legge, possiamo dire che l'energia che viene persa ha una lunghezza d'onda lunga, e che quindi non la si può sfruttare per produrre calore poiché troppo dissipata: questo tipo di energia è chiamata entropia. Un sistema quando compie un lavoro trasforma l'energia e facendo questo produce calore; questo fa aumentare l'entropia di un sistema, ovvero il suo grado di disordine. Nell'universo il grado di entropia può solo aumentare.

La vita è riuscita a disaccoppiare i due processi, cioè a separare dal sistema vivente l'entropia; se così non fosse, ogni qual volta volessi mettere ordine, nell'atto stesso di farlo creerei continuamente disordine. Di conseguenza il calore viene dissipato (ad esempio, nel caso dell'uomo, tramite il sudore). Nel caso del legame chimico, quando una molecola rompe i suoi legami libera energia, ma per formare una molecola serve lavoro, quindi bisogna fare un processo inverso, generando energia. Spontaneamente il sistema però tende alla rottura e alla liberazione di energia, ossia al disordine; la messa in ordine di sistemi è un qualcosa che naturalmente non avviene.

Qualsiasi sistema è una condizione strana, improbabile, che si è formata grazie al fatto che è stato compiuto un lavoro. Quando non si è più in grado di compiere lavoro, l'energia contenuta nel sistema viene dissipata naturalmente. L'organismo vive quindi in uno stadio di equilibrio stazionario non naturale, mantenuto da continui processi metabolici che richiedono energia e producono lavoro. Tale equilibrio descrive le condizioni medie di un sistema nel tempo; esso viene misurato attraverso lo stato di un suo elemento o attributo durante uno specifico periodo di tempo.

Possiamo distinguere tra

• equilibrio di stato stazionario: rappresenta la condizione media di un sistema dove la traiettoria non viene modificata nel tempo;
• equilibrio termodinamico: descrive la condizione di un sistema nel quale l'energia tende a un massimo di entropia.

L'ecosistema è quindi una struttura dissipativa, lontano dall'equilibrio e caratterizzato da flusso e cambiamenti continui. È un sistema termodinamicamente aperto che scambia energia e materia con l'ambiente; a differenza dei sistemi chiusi, in cui si stabilisce uno stato di equilibrio statico, i sistemi aperti si mantengono in questo stato stazionario.