Un ecosistema è un insieme naturale formato da una comunità di organismi viventi e dall'ambiente fisico nel quale essi vivono. È costituito da due componenti in stretta relazione: la prima rappresentata dagli organismi viventi (comunità biologica o biocenosi) e l'altra dall'ambiente fisico (componente abiotica o biotopo) in cui essi vivono. Come tale l'ecosistema è una porzione dell'ecosfera e quindi della biosfera.
La più efficace e moderna definizione di ecosistema è quella proposta da Eugene P. Odum (1953), per il quale l’ecosistema è:
L’ecosistema è il grado di complessità maggiore dell’organizzazione gerarchica dei sistemi biologici: fondamentalmente un ecosistema è una comunità di organismi viventi che vivono in una stessa area geografica più l’ambiente fisico, abiotico, in cui tale comunità vive. In un ecosistema coesistono sia le proprietà biotiche (gli organismi, che rappresentano una comunità) sia le proprietà abiotiche (le caratteristiche non viventi dell’ambiente, quali ad esempio la temperatura, le precipitazioni, il clima, la luce, l’energia, la materia, i nutrienti ecc.) dell’ambiente. L’ecosistema può essere considerato come la risultante delle interazioni tra la comunità e l’ambiente abiotico nel quale questa è inserita attraverso continui scambi di materia ed energia che regolano l’equilibrio e il funzionamento del sistema stesso.
Storia del concetto di ecosistema
Il termine "ecosistema" fu coniato dal botanico inglese Arthur Tansley (1935), per fare riferimento a tutte le componenti di un sistema ecologico, biotiche ed abiotiche, che influenzano il flusso di energia ed elementi. Tansley definisce l’ecosistema come:
Con accezione non dissimile da quella di Tansley, i ricercatori della scuola russa Sukachev e Dylis coniano nel 1944 il termine biogeocenosi, il sistema di una comunità di organismi e dell’ambiente fisico che li sostiene.
Meno di vent’anni dopo, Eugene P. Odum (1953) propone una ulteriore definizione di ecosistema:
Odum ha definito l’ecosistema anche in questo modo:
Secondo Aber & Melillo un ecosistema è definito come:
Chapin e colleghi (2002) definiscono l’ecosistema come:
Il concetto di ecosistema si basa sull’idea che la componente biologica (biotica) e quella fisica (abiotica) dell’ambiente interagiscono tra loro formando un unico sistema interattivo e funzionale. Useremo la seguente definizione di ecosistema: definiamo ecosistema l’insieme della comunità biologica associata ai fattori abiotici dell’ambiente. Un ecosistema è pertanto un sistema funzionale che include gli organismi di una comunità naturale ed il loro ambiente abiotico. Quindi il concetto di ecosistema comprende sia la componente vivente sia la componente non vivente, ed include le reciproche influenze della componente biotica e di quella abiotica. L’ecosistema è pertanto un particolare tipo di sistema biologico formato da due componenti di natura differenti che interagiscono tra loro (biotica ed abiotica). L’ecologia, la cui progressione storica è parallela all’evolversi del concetto stesso di ecosistema, ha da sempre avuto necessità di definire un’unità che, sia spazialmente sia funzionalmente, permetta di porre un limite strutturale di indagine, unità che definiamo ecosistema.
L’ecosistema è considerato come un’entità funzionale, prima che lo studio sugli ecosistemi rivoluzionò il pensiero ecologico si studiavano gli organismi, al massimo le comunità, e si producevano elenchi, lunghi elenchi di specie che la costituivano, ma non si vedeva quell’insieme come un’unica entità, fortemente collegata con l’ambiente abiotico.
Anche quando Tansley introdusse il concetto di ecosistema nel 1935 ci volle qualche anno prima che l’ecologia iniziò ad approcciarsi all’ambiente e alle relazioni tra organismi ed ambiente con l’attuale approccio ecosistemico, olistico.
Nel 1942 la rivista Ecology pubblicò un articolo controverso scritto da Raymond Lindeman, un lavoro intitolato The Trophic-Dynamic Aspect of Ecology (1942), che descriveva le relazioni tra organismi e il flusso di energia in un lago del Minnesota. In questo lavoro Lindeman analizza la comunità non da un punto di vista semplicemente descrittivo (quante e quali specie ci sono) ma dal punto di vista funzionale, in base al ruolo degli organismi nella comunità. Lindeman aveva studiato le relazioni energetiche tra gli organismi e le componenti non viventi nell’ecosistema del lago. Piuttosto che raggruppare tali componenti, piante, animali e batteri in base al loro gruppo tassonomico e alla loro abbondanza nella comunità, Lindeman le raggruppò in categorie basate principalmente su come esse ottenessero l’energia. Le sue osservazioni sull’importanza della base energetica del sistema e sull’efficienza del trasferimento di energia tra le componenti biotiche del sistema erano innovative. La trattazione di Lindeman del flusso di energia nel lago fu considerata troppo teorica e il suo lavoro venne inizialmente respinto. Gli editori, successivamente, riconsiderarono l’articolo, dopo che il mentore di Lindeman, il biologo George Evelyn Hutchinson, sostenne la sua accettazione. L’articolo di Lindeman del 1942 fu tra i primi nell’ambito dell’approccio ecosistemico ed è ora considerato un documento di fondamentale importanza nella storia dell’ecologia.
Struttura e funzionamento degli ecosistemi Un ecosistema presenta:
una sua struttura, rappresentata da componenti biotiche e componenti abiotiche; un suo funzionamento, che consiste in processi quali flussi di energia e cicli della materia.
La componente abiotica degli ecosistemi comprende l’insieme dei fattori abiotici che compongono l’ecosistema. Tra questi fattori svolgono un ruolo importante le sostanze inorganiche che derivano dalle rocce e dai suoli, dalla decomposizione e degradazione della biomassa degli organismi alla loro morte, dalle deiezioni e secrezioni degli organismi viventi, e (se inorganiche) dalla mineralizzazione (conversione di molecole organiche in molecole inorganiche operata dai microrganismi decompositori). Queste sostanze includono acqua, anidride carbonica, ossigeno, sali di calcio, azoto, fosforo, zolfo.
La componente biotica degli ecosistemi include tutti gli organismi viventi che, in funzione della posizione nella catena alimentare, possono essere distinti in produttori primari (organismi autotrofi, in grado cioè di sintetizzare materia organica a partire da molecole inorganiche, come le alghe e le piante), consumatori primari (eterotrofi erbivori), consumatori secondari (eterotrofi carnivori), detritivori e decompositori (eterotrofi che consumano sostanza organica morta).
Ogni ecosistema è costituito da una o più comunità di organismi viventi (biotici) e da elementi non viventi (abiotici) che interagiscono tra loro; una comunità è a sua volta l'insieme di più popolazioni,Si veda la "Scala di aggregazione della materia vivente" nella Voce Paesaggio, settore "Il paesaggio scientifico" costituite ognuna da organismi della stessa specie. L'insieme delle popolazioni, cioè la comunità, interagisce dunque con la componente abiotica formando l'ecosistema, nel quale si vengono a creare delle interazioni reciproche in un equilibrio dinamico controllato da uno o più meccanismi fisico-chimici di retroazione (detti anche "feedback"). Un ecosistema è un sistema aperto, con strutture e funzioni caratteristiche e specifiche, determinate da: flusso di energia; circolazione di materia ed energia (chimica, calorica e meccanica) tra componente biotica e abiotica.
Gli ecosistemi presentano quattro caratteristiche comuni: sono sistemi aperti;Tutti i sistemi viventi sono sistemi aperti, che hanno cioè interscambi con l'ambiente esterno. Non esistono in natura sistemi chiusi. A rigore, anche i sistemi non viventi (il sistema solare, un orologio, etc.) sono sistemi aperti, anche se per semplificare, vengono talvolta considerati come sistemi chiusi. Ne deriva che un sistema chiuso è solo un'astrazione riduttiva. sono sempre formati da una componente abiotica e da una componente biotica; sono strutture interconnesse con altri ecosistemi, assieme ai quali formano dei macro-ecosistemi detti "paesaggi" (Humboldt, Troll); tendono a raggiungere e a mantenere nel tempo un equilibrio dinamico e quindi una particolare stabilità evolvente.
La componente abiotica è costituita dagli elementi non viventi, dai componenti organici e inorganici e da fattori climatici. La componente biotica è costituita da organismi animali e vegetali che si possono considerare come appartenenti a tre diverse categorie: i produttori primari, i consumatori e i decompositori.
Flusso dell'energia negli ecosistemi
Nella quasi totalità degli ecosistemi terrestri il flusso di energia si origina dalla radiazione solare che, a differenza della materia, non è riciclabile, ma viene mandata in modo costante dal Sole.
Una volta raggiunta la Terra, solo una piccola parte di questa energia viene catturata ed utilizzata dagli organismi autotrofi fotosintetici per la trasformazione della sostanza inorganica in sostanza organica.
La reazione chimica che permette di immagazzinare l'energia luminosa solare è la fotosintesi clorofilliana, che avviene nelle parti verdi delle piante acquatiche e terrestri, microscopiche come le alghe unicellulari o enormi come la sequoia. In questo modo si ottengono i tre tipi fondamentali di composti organici: carboidrati, grassi e proteine.
Catena alimentare
Attraverso la catena alimentare o, più correttamente, la rete alimentare, la materia organica viene poi utilizzata come fonte di energia dagli organismi eterotrofi, entrando così in circolo nell'ecosistema. La catena alimentare è una semplificazione del rapporto che esiste tra gli organismi viventi, e prende in esame uno solo dei possibili percorsi che la materia compie nell'ecosistema. È preferibile parlare di rete alimentare perché i rapporti tra i viventi sono estremamente complessi, specialmente negli ecosistemi evoluti, come il climax.
In sintesi parte delle sostanze chimiche inorganiche presenti nel terreno (cioè acqua e sali minerali) e nell'aria (anidride carbonica) vengono trasformate in sostanze organiche, che costituiscono prima di tutto i tessuti degli organismi vegetali, le piante cioè, che sono il primo anello della catena alimentare, e vengono definite produttori. I consumatori primari, cioè gli erbivori (insetti ed animali superiori), se ne nutrono, e sfruttano l'energia chimica immagazzinata nelle sostanze organiche prodotte dai produttori. A loro volta questi consumatori primari sono preda dei consumatori secondari, cioè dei carnivori, predatori (ad esempio grandi felini, rapaci, invertebrati predatori come ragni e scorpioni, pesci, e così via).
A volte è difficile stabilire in modo preciso i vari rapporti che si formano tra prede e predatori, con i consumatori che possono essere primari, cioè di primo livello, secondari, cioè di secondo livello, e così via, sino ad arrivare ai predatori apicali, che di solito, in un ecosistema sono sempre poco numerosi. Tra i consumatori apicali o finali ci sono i grandi rapaci, come l'aquila, oppure, tra i mammiferi, il lupo, la volpe, o la tigre e il leone, a seconda dell'ambiente geografico. Quando produttori e consumatori muoiono e non vengono utilizzati da altri membri della catena, i decompositori (batteri, funghi) smontano le sostanze organiche in elementi e composti inorganici che concimeranno il terreno ed entreranno di nuovo nel ciclo.
Un ecosistema è in equilibrio quando la catena del ciclo alimentare si chiude e quando le innumerevoli e multiformi relazioni fra gli organismi viventi (come il parassitismo, simbiosi, commensalismo) funzionano in modo da regolare il delicato meccanismo di un ecosistema all'interno dell'ecoregione.
Tipologia degli ecosistemi Vi sono, nella classificazione antropologica, due classi di ecosistemi: