Gli ecologisti studiano le interazioni tra gli organismi e l’ambiente che li circonda

Gli organismi abitano quasi tutti gli ambienti della Terra, dai camini caldi nelle profondità del fondo dell’oceano ai ghiacci dell’Artico. Ogni ambiente offre sia risorse che vincoli che modellano l’aspetto delle specie che lo abitano, e le strategie che queste specie usano per sopravvivere e riprodursi. Alcuni dei modelli più ampi di differenza ambientale derivano dal modo in cui il nostro pianeta orbita intorno al Sole e dalla conseguente distribuzione globale della luce solare (Chapin et al. 2002). Ai tropici, dove la radiazione solare è abbondante tutto l’anno, le temperature sono calde e le piante possono fotosintetizzare continuamente finché sono disponibili acqua e nutrienti. Nelle regioni polari, dove la radiazione solare è stagionalmente limitata, le temperature medie sono molto più basse e gli organismi devono far fronte a lunghi periodi in cui la fotosintesi cessa.

Figura 2: La leucina, qui mostrata, e altri aminoacidi essenziali per la nutrizione umana sono costruiti da dorsali di carbonio (unità nere) con componenti chiave di azoto (blu).

Negli ecosistemi, le risorse e i vincoli ambientali modellano la struttura e la fisiologia degli organismi. Una delle più antiche eredità ambientali della Terra è la serie di elementi chimici che contiene (Schlesinger 1997). Alla sua nascita, la Terra ha ereditato atomi di carbonio prodotti da stelle che sono bruciate molto prima della formazione del nostro sole. Questi atomi di carbonio, con la loro capacità unica di costruire catene e legami a quattro vie con altri elementi, forniscono la spina dorsale di tutte le molecole organiche che costituiscono la vita oggi (Figura 2). Anche l’azoto e il fosforo sono elementi essenziali negli organismi viventi, dove svolgono ruoli centrali nella composizione delle proteine, degli acidi nucleici e dei composti energetici. Questi elementi non sono sempre prontamente disponibili per gli organismi, quindi le limitazioni dei nutrienti possono condizionare fortemente le strategie biologiche. Per esempio, il gas inerte azoto costituisce il 78% dell’atmosfera terrestre, ma le forme di azoto prontamente utilizzabili dagli organismi sono tipicamente molto più scarse negli ecosistemi terrestri (Chapin et al. 2002). Nel corso del tempo evolutivo, le simbiosi che si sono sviluppate tra i batteri che fissano l’azoto e le piante hanno contribuito ad aumentare la disponibilità di azoto in molti ecosistemi. Tuttavia, data la forte competizione per l’azoto e altri elementi, gli ecologi trovano che le limitazioni dei nutrienti vincolano la vita in molti ambienti (Chapin et al. 1986).
Gli organismi sono modellati ulteriormente dalle proprietà fisiche dei mezzi in cui vivono, comprese le densità e le temperature dei mezzi. Per esempio, i mammiferi marini come i leoni marini stellati (Eumetopias jubatus) hanno sviluppato corpi affusolati che si muovono efficientemente nell’acqua, che è più di 700 volte più densa dell’aria, ma che li rallenta sulla terraferma (Figura 3a; Riedman, 1991). Di conseguenza, i leoni marini dormono sulla riva, ma cacciano il cibo principalmente in acqua, dove la loro velocità è ottimizzata.

Figura 3a: Leoni marini stellati ben isolati (Eumetopias jubatus) sulla terraferma

Gli ecologi studiano anche come la temperatura influenza l’ecologia e l’evoluzione delle specie. Gli organismi generalmente rallentano o si congelano quando le condizioni sono fredde, ma si surriscaldano e perdono le loro funzioni quando le temperature aumentano. Molte specie hanno quindi evoluto tratti che aiutano a proteggersi dalle temperature estreme e influenzano la loro ecologia. Per esempio, mentre i leoni marini si affidano a spessi strati di grasso per l’isolamento, le lontre marine (Enhydra lutris) che nuotano nelle stesse acque fredde dipendono da una pelliccia insolitamente spessa per trattenere il calore. Come risultato, le lontre marine passano più tempo a pulirsi (Figura 3b), e la loro folta pelliccia ha attirato i cacciatori che le hanno portate quasi all’estinzione (Riedman 1990). Sulla terraferma, la ricerca mostra che le piante e gli animali a sangue freddo sviluppano una colorazione scura e si posizionano per massimizzare il guadagno di energia solare con tempo fresco. Nelle regioni più calde, gli studi rivelano che gli animali possono evitare il sole intenso, mentre le piante si proteggono facendo traspirare grandi quantità di acqua, massimizzando il flusso d’aria attraverso il loro fogliame, o andando in dormienza fino al ritorno di temperature più fresche. Alcuni adattamenti alla temperatura possono essere sorprendenti. Per esempio, gli scienziati hanno recentemente scoperto che le erbe che crescono vicino alle bocchette geotermiche guadagnano la tolleranza al calore grazie a un virus all’interno di un fungo nelle loro radici (Marquez 2007).

Figura 3b: Lontra marina (Enhydra lutris) che mostra la sua pelliccia isolante

Figura 4: Gibbone che dimostra l’uso di arti anteriori flessibili per dondolarsi sugli alberi

La disponibilità di acqua modella ulteriormente le dinamiche ecologiche sulla Terra. La vita primitiva è nata in ecosistemi acquatici, e tutte le cellule viventi hanno ancora bisogno di acqua per funzionare. La disponibilità d’acqua è influenzata dalla temperatura, perché nei climi molto freddi l’acqua è congelata e non è disponibile, mentre in quelli molto caldi l’acqua evapora rapidamente. Gli studi ecologici sulle relazioni idriche hanno scoperto che gli organismi impiegano un’incredibile gamma di strategie per catturare e trattenere le risorse idriche. Per esempio, nel caldo torrido del deserto del Namib in Sudafrica, lo scarabeo Stenocara sopravvive catturando l’acqua da rari ciuffi di nebbia che si condensano in strutture speciali sulla sua schiena (Parker et al. 2008).
A livello di comunità, gli ecologi di comunità studiano come la disponibilità di risorse influenza le caratteristiche dell’ecosistema, compreso il numero e i tipi di specie presenti. Per esempio, la quantità di carbonio e di energia fissata nella fotosintesi dalle piante e da altri produttori (per esempio, la produttività) limita la quantità di consumatori che un ecosistema può sostenere. A causa di questo limite e poiché l’energia viene persa ad ogni passo di trasmissione attraverso una rete alimentare, gli ecosistemi a bassa produttività generalmente supportano meno biomassa di consumo rispetto ai sistemi a più alta produttività. Gli ecologi hanno identificato questa relazione come una possibile ragione per cui la biodiversità è maggiore nelle foreste pluviali tropicali altamente produttive che in sistemi meno produttivi come i deserti (Gaston 2000). All’interno delle comunità, la variabilità ambientale può guidare complesse variazioni nelle dinamiche ecologiche. Per esempio, i ricercatori hanno recentemente scoperto che piccoli aumenti di temperatura possono aumentare notevolmente l’aggressività di alcuni pesci della barriera corallina (Biro et al. 2010). Questi cambiamenti comportamentali possono aumentare l’esposizione dei pesci alla predazione e ad altri rischi.
Perché l’ambiente è sia dinamico che diverso, gli ecologi riconoscono che non esiste un singolo insieme di attributi ecologici o strategie che rendono un organismo “il migliore”. Tutte le popolazioni e le specie viventi cambiano continuamente in risposta alle pressioni di altri organismi e alla variabilità della geologia e del clima della Terra. Nel corso del tempo, questa danza di interazioni in evoluzione ha prodotto un’incredibile serie di organismi che dipendono e competono tra loro sulla superficie del pianeta. Per ricostruire la storia ecologica della Terra, gli scienziati ecologici e altri ricercatori cercano dati di molti tipi, compresi gli anelli degli alberi che descrivono antichi modelli di siccità, le carote di ghiaccio che contengono bolle della precedente atmosfera terrestre e il DNA conservato in ossa di animali millenari. Questi dati mostrano come gli organismi hanno risposto ai cambiamenti ambientali, compresa l’estinzione causata dai meteoriti che ha contribuito ad inaugurare l’era dei mammiferi 65 milioni di anni fa.