Diapositiva 1 - Dipartimento di Chimica, Biologia e Biotecnologie
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Diapositiva 1 - Dipartimento di Chimica, Biologia e Biotecnologie
UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PERUGIA Dipartimento di Chimica, Biologia e Biotecnologie Via Elce di Sotto, 06123 -Perugia Corso di Laurea in Scienze Biologiche Corso di ECOLOGIA Sito del corso: http://cclbiol.unipg.it/index.html Alessandro Ludovisi Sito docente: http://www.dcbb.unipg.it/alessandro.ludovisi Tel. 075 585 5712 e-mail address: [email protected] 5.1 LA COMUNITA’ E LA SUA STRUTTURA LIVELLI DI ORGANIZZAZIONE DEI SISTEMI NATURALI E UMANI SISTEMI ECOLOGICI COMUNITA’ BIOLOGICA (o BIOCENOSI) – insieme delle popolazioni vegetali ed animali che convivono in uno stesso luogo (biotopo). La comunità si realizza come interazione tra popolazioni nei vincoli imposti dall’ambiente. Caratteristiche base delle popolazioni sono la struttura, la dinamica e l’evoluzione Struttura •Dimensione: Numerosità, biomassa totale e misure equipollenti degli organismi che la compongono, espressi in termini assoluti o relativi all’unità spaziale (superficie, volume) •Composizione : Biodiversità e distribuzione delle abbondanze relative degli individui appartenenti alle diverse popolazioni. Si può studiare tramite indici di diversità (es. indice di Simpson, indice di Shannon, indici di equipartizione) e curve di distribuzione (es. curve abbondanza/rango) •Organizzazione spaziale: disposizione degli organismi nello spazio e subcomunità •Rete di interazioni: numero e tipologia di interazioni interspecifiche (competizione, predazione, ecc.) attive all’interno della comunità. Connettanza •Reti alimentari o trofiche •Piramidi alimentari o trofiche BIODIVERSITA’ - LIVELLI DI DIVERSITA’ BIOLOGICA I LIVELLI DI DIVERSITA’ SPECIFICA - a-diversità: è la diversità della composizione specifica di una comunità o di un suo campione (A, B, C) - b-diversità: è il grado di cambiamento della diversità specifica tra comunità in un dato paesaggio (A-B; B-C; A-C) - g-diversità: è la diversità specifica totale di un paesaggio - -diversità: è il cambiamento della diversità specifica da un paesaggio a un altro (Paesaggio 1- Paesaggio 2) - -diversità: è la diversità specifica totale di paesaggio(Paesaggio 1+ Paesaggio 2) Paesaggio 2 Paesaggio1 A C B Biodiversità – stima della ricchezza di specie sulla base di campioni Relazione tra numero di specie (S) e area campionata (A) S C Az log S C zA 0.1 < z < 0.4 Approcci statistici impiegati per la stima della ricchezza di specie sulla base di dati di campionamento: •Estrapolazione di curve di accumulazione di specie; •Stimatori non-parametrici. Biodiversità – stima della ricchezza di specie sulla base di campioni Curve di accumulazione e rarefazione – Le curve di accumulazione si ottengono cumulando il numero di specie trovate in n campioni in sequenza. Esistono perciò tante curve di accumulazione quante sono le sequenze possibili di campioni N. specie osservate Stima asintotica della ricchezza di specie Curva di rarefazione (media di tutte le curve di accumulazione) Curve di accumulazione Inconvenienti: Numero di campioni o area campionata • elevato sforzo sperimentale • non raggiunge l’asintoto se l’ambiente è eterogeneo RICCHEZZA DI SPECIE DEL FITOPLANCTON NEL LAGO TRASIMENO Curva di rarefazione Taxa (95% confidence) 55 50 45 40 35 30 25 20 15 Maglia 1 km 10 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Samples - DISEGNO CAMPIONARIO: - CAMPIONAMENTO CON BOTTIGLIA DI RUTTNER - RETICOLO UTM DI MAGLIA 1KM (120 PARCELLE) - DATA CAMPIONAMENTO: 12-13 LUGLIO 1991 - ESTRAZIONE CASUALE DI 12 PARCELLE - DETERMINAZIONE E CONTEGGIO CON METODO UTHERMOL - STAZIONI POSTE AL CENTRO DELLE PARCELLE - 3 REPLICHE PER OGNI STAZIONE POSTE NEI VERTICI DI UN TRIANGOLO DI 50M DI LATO Ludovisi et al., 2005. Ecological Modelling 181: 247-262 Curve di rarefazione per alcuni gruppi di invertebrati censiti in 18 lagune italiane incluse nel database LifeWatch. Le curve di regressione, basate su un modello esponenziale negativo ,sono estrapolate fino al numero approssimativo di lagune italiane (250) a No. species 1000 100 Total Invertebrates Anellida Artropoda Mollusca Other Invertebrates 10 1 10 No. pooled samples 100 Biodiversità – stima della ricchezza di specie sulla base di campioni Indici non parametrici La stima del numero di specie totale è basato sulla frequenza delle specie rare Chao 2: Jack-knife 1: S S obs S S obs Q12 2Q 2 Sobs= numero di specie osservate Q1= n. di specie rinvenute in un singolo campione Q2 = n. di specie rinvenute in due campioni m -1 Q1 m Sobs= numero di specie osservate, Q1 = n. di specie rinvenute in un singolo campione m = n. totale di campioni Sobs Bootstrap: S S obs (1- p k ) k 1 m Sobs= numero di specie osservate, pk= frazione di campioni contenenti la specie k m = n. totale di campioni Inconvenienti: • sovrastima della ricchezza di specie rispetto alle curve di accumulazione La misura dell’a-diversità Indici qualitativi di a-diversità, basati sulla presenza/assenza di specie Indici quantitativi di a-diversità, basati sulla distribuzione delle abbondanze specifiche frazione numerica della specie i nel campione (pi ) Warning! Indici quantitativi di a-diversità, basati sulla distribuzione delle abbondanze specifiche •H rappresenta una misura della “incertezza” di attribuzione specifica; •ovvero la “complessità potenziale” in termini di informazione •L’indice varia tra 0 (dominanza esclusiva di una specie – diversità minima) e un valore massimo (logS) •aumenta all’aumentare delle specie presenti e della equi-ripartizione nell’abbondanza specifica relativa. Warning! Indici di a-diversità - confronto tra indici qualitativi e quantitativi Numero individui ni Specie Sobs N Sobs r C H' E A B C D E F G Campione 1 2 3 10 40 8 10 5 1 10 5 1 10 5 1 10 5 1 10 5 1 10 5 1 4 5 3 10 3 1 3 1 3 0 0 0 0 0 0 0 7 7 7 4 3 70 70 14 12 12 1 7 3.25 0.14 1.95 1 2 7 3.25 0.36 1.45 0.75 3 4 5 7 4 3 5.24 2.78 1.85 0.36 0.25 0.71 1.45 1.39 0.57 0.75 1 0.52 Abbondanza relativa ni/N A B C D E F G Somma Campione 1 2 3 0.143 0.571 0.571 0.143 0.071 0.071 0.143 0.071 0.071 0.143 0.071 0.071 0.143 0.071 0.071 0.143 0.071 0.071 0.143 0.071 0.071 1 Sobs - 1 r log N 1 4 5 0.25 0.833 0.25 0.083 0.25 0.083 0.25 0 0 0 0 0 0 0 1 n C i i 1 N ni ni H ' - ln i 1 N N Sobs 100% Sobs 1 2 H' E logSobs 1 80% A B 40% C D 20% E 0% F G 60% 1 -0.28 -0.28 -0.28 -0.28 -0.28 -0.28 1 2 -0.28 2 -0.32 -0.19 -0.19 -0.19 -0.19 -0.19 3 -0.19 Sobs r 3 -0.32 -0.19 -0.19 -0.19 -0.19 -0.19 4 -0.19 C G 4 -0.35 -0.35 -0.35 -0.35 5 -0.15 E -0.21 D -0.21 F C B A 5 H' E 6.4 3.2 1.6 0.8 0.4 0.2 0.1 1 2 3 4 5 Pieris rapae Polyommatus icarus Gli indici di a-diversità e l’equipartizione (evenness) sono spesso usati come indicatori di qualità dell’ambiente, assumendo che maggiore biodiversità sia indice di maggiore “naturalità” dell’ambiente SELEZIONE ALLOGENA Disturbo frequente Disturbo intenso Fase pioniera ---- DISTURBO INTERMEDIO BIODIVERSITA’ Tuttavia, occorre sottolineare che essi possono aumentare al variare di diversi fattori, in particolare: •Eterogeneità ambientale: una maggiore eterogeneità consente la formazione di più nicchie ecologiche potenziali, che potranno essere occupate da un numero maggiore di specie; •Fattori di disturbo (naturale o antropico) con frequenza ed intensità tali da non consentire alla comunità una selezione naturale autogena massimale (teoria del disturbo intermedio – Connell, 1978) SELEZIONE AUTOGENA infrequente Disturbo lieve Fase tardiva La misura della b-diversità La diversità tra 2 o più comunità a confronto può essere misurata tramite : •misure di distanza: valori compresi tra 0 (identità) e ∞ (completa dissimilarità) •Indici di similarità: valori compresi tra 0 (completa dissimilarità) e 1 (completa similarità), Misure di b-diversità: misure di distanza: la b-diversità di Whittaker (1968): g bW - 1 a Nel caso in cui la diversità sia misurata come ricchezza di specie, bw diventa: 2 S P Q SP+Q : numero di specie totale nelle comunità P e Q (g –diversità) bW - 1 S , S : numero di specie nella comunità P e Q rispettivamente (a-diversità) P Q S P SQ La misura di distanza di Kullback-Leibler S pi J P : Q p i - q i ln qi i 1 pi , qi : frazione della specie i nelle comunità P e Q rispettivamente Misure di b-diversità – Indici di similarità Indici di sovrapposizione di specie (qualitativi), basati sulla presenza/assenza di specie Indice di Sorensen 2 S P -Q CS S P SQ SP-Q : numero di specie comuni alle comunità P e Q SP , SQ : numero di specie nella comunità P e Q rispettivamente Indici di similarità (quantitativi), basati sulla similarità tra le distribuzioni di abbondanza relativa Indice di Morisita-Horn C mH N i Indice sJ 2i N iP N iQ 2 iP N P 2 i N iQ 2 N Q 2 N P N Q J P : Q s J 1J P : Q max NiP , NiQ : numero individui della specie i nelle comunità P e Q NP , NQ : numero totale di individui nelle comunità P e Q J(P:Q) : distanza di Kullback-Leibler J(P:Q)max : distanza massima di Kullback-Leibler, funzione della copertura campionaria Diversità fitoplanctonica nel Lago di Piediluco Staz. Staz. Staz. Staz. Staz. Staz. Staz. Staz. Specie 1 2 3 4 5 6 7 8 Cyclotella sp. 409 403 411 459 313 270 413 117 Rhodomonas minuta 300 275 34 403 471 452 183 427 Monoraphidium arcuatum 36 17 14 28 52 14 4 10 Gleocapsa sp. 30 12 38 13 21 27 14 Hyaloraphidium contortum 15 1 7 9 15 4 15 12 Mixosarcina spectabilis 12 13 31 2 Dinobrion cilindricum 4 7 16 2 9 3 3 Chryptomonas erosa 3 1 1 5 6 6 Microcistis sp. 1 2 3 6 1 1 4 Lagheremia genevensis 2 1 1 2 3 1 6 Xenococcus kerneri 14 Merismopedia punctata 8 Pseudokephyrion sp. 1 3 1 2 4 5 ……… 6 7 Indici di similarità 1-2 Sorensen Morisita-Horn sJ N. individui N. specie H Shannon Evenness 8 2-4 4-5 5-6 6-8 1-8 0,65 0,73 0,71 0,73 0,65 0,52 0,94 0,99 0,96 0,98 0,94 0,72 0,98 0,98 0,98 0,97 0,98 0,90 1299 882 660 1153 1163 1031 845 745 28 24 20 22 19 24 22 19 1,84 1,62 1,51 1,69 1,73 1,74 1,61 1,63 0,55 0,51 0,50 0,55 0,59 0,55 0,52 0,56 Diversità fitoplanctonica nel Lago di Piediluco Staz. Staz. Staz. Staz. Staz. Staz. Staz. Staz. Specie 1 2 3 4 5 6 7 8 Cyclotella sp. 409 403 411 459 313 270 413 117 Rhodomonas minuta 300 275 34 403 471 452 183 427 Monoraphidium arcuatum 36 17 14 28 52 14 4 10 Gleocapsa sp. 30 12 38 13 21 27 14 Hyaloraphidium contortum 15 1 7 9 15 4 15 12 Mixosarcina spectabilis 12 13 31 2 Dinobrion cilindricum 4 7 16 2 9 3 3 Chryptomonas erosa 3 1 1 5 6 6 Microcistis sp. 1 2 3 6 1 1 4 Lagheremia genevensis 2 1 1 2 3 1 6 Xenococcus kerneri 14 Merismopedia punctata 8 Pseudokephyrion sp. 1 3 1 2 4 Wittaker alpha 22,25 gamma 49 beta 2,20 5 ……… N. individui N. specie H Shannon Evenness 6 7 8 p ij 1 - p ij ln p ij p ij - p ij ' ln Z j j '1 i 1 p ij ' Z j 1 i 1 Z S a- Diversità 1 Z S b- Diversità 1299 882 660 1153 1163 1031 845 745 28 24 20 22 19 24 22 19 1,84 1,62 1,51 1,69 1,73 1,74 1,61 1,63 0,55 0,51 0,50 0,55 0,59 0,55 0,52 0,56 Z S p ij ln p ij j j i , '1 1 g- Diversità ' a 13.38 b 2.73 g 16.11 Whittaker (qualitativo) amedio 22.25 b 1.20 g 49 COMUNITA’ BIOLOGICA (o BIOCENOSI) – insieme delle popolazioni vegetali ed animali che convivono in uno stesso luogo (biotopo). La comunità si realizza come interazione tra popolazioni nei vincoli imposti dall’ambiente. Caratteristiche base delle popolazioni sono la struttura, la dinamica e l’evoluzione Struttura •Dimensione: Numerosità, biomassa totale e misure equipollenti degli organismi che la compongono, espressi in termini assoluti o relativi all’unità spaziale (superficie, volume) •Composizione : Biodiversità e distribuzione delle abbondanze relative degli individui appartenenti alle diverse popolazioni. Si può studiare tramite indici di diversità (es. indice di Simpson, indice di Shannon, indici di equipartizione) e curve di distribuzione (es. curve abbondanza/rango) •Organizzazione spaziale: disposizione degli organismi nello spazio e subcomunità •Rete di interazioni: numero e tipologia di interazioni interspecifiche (competizione, predazione, ecc.) attive all’interno della comunità. Connettanza •Reti alimentari o trofiche •Piramidi alimentari o trofiche Abbondanza % (scala logaritmica) Curve abbondanza-rango e modelli di prelazione delle risorse Curve abbondanza-rango in varie comunità 1 2 3 4 5 6 ..S rango Le curve abbondanza-rango si costruiscono ordinando in grafico l’abbondanza delle specie vs il loro “rango” ovvero la loro posizione di dominanza Le curve possono essere interpretate come frutto della “prelazione di nicchia”, ovvero della occupazione di frazioni decrescenti della nicchia totale disponibile nello spazio delle risorse Modelli di prelazione di nicchia Modello geometrico (gerarchico) Nr k (1- k )r -1 N t ot Modello “broken-stick” (casuale) Nr =Numero di individui della specie di rango r; k =frazione delle risorse “prelata” dalle specie in sequenza Nr 1 S 1 N t ot S r r S = Numero totale di specie r =2 r =2 r =3 r =1 r =1 Spazio delle risorse Spazio delle risorse k =0.7 k =0.3 rango Abbondanza % (log) Abbondanza % (log) r =3 S =10 S =20 rango Le curve abbondanza-rango in comunità reali possono rispondere a modelli di prelazione di nicchia prossimi ai modellli teorici, ma spesso evidenziano strutture intermedie Curve abbondanza-rango in varie comunità COMUNITA’ BIOLOGICA (o BIOCENOSI) – insieme delle popolazioni vegetali ed animali che convivono in uno stesso luogo (biotopo). La comunità si realizza come interazione tra popolazioni nei vincoli imposti dall’ambiente. Caratteristiche base delle popolazioni sono la struttura, la dinamica e l’evoluzione Struttura •Dimensione: Numerosità, biomassa totale e misure equipollenti degli organismi che la compongono, espressi in termini assoluti o relativi all’unità spaziale (superficie, volume) •Composizione : Biodiversità e distribuzione delle abbondanze relative degli individui appartenenti alle diverse popolazioni. Si può studiare tramite indici di diversità (es. indice di Simpson, indice di Shannon, indici di equipartizione) e curve di distribuzione (es. curve abbondanza/rango) •Organizzazione spaziale: disposizione degli organismi nello spazio e subcomunità •Rete di interazioni: numero e tipologia di interazioni interspecifiche (competizione, predazione, ecc.) attive all’interno della comunità. Connettanza •Reti alimentari o trofiche •Piramidi alimentari o trofiche Organizzazione spaziale delle comunità e subcomunità Le comunità più complesse sono caratterizzate da una zonazione spaziale (verticale e/o orizzontale) che individua subcomunità tra loro interconnesse Organizzazione spaziale delle comunità acquatiche lentiche ZONA LITORANEA ZONA PELAGICA ZONA EUFOTICA Le comunità più complesse sono caratterizzate da una zonazione spaziale (verticale e/o orizzontale) che individua subcomunità tra loro interconnesse ZONA AFOTICA COMUNITA’ BIOLOGICA (o BIOCENOSI) – insieme delle popolazioni vegetali ed animali che convivono in uno stesso luogo (biotopo). La comunità si realizza come interazione tra popolazioni nei vincoli imposti dall’ambiente. Caratteristiche base delle popolazioni sono la struttura, la dinamica e l’evoluzione Struttura •Dimensione: Numerosità, biomassa totale e misure equipollenti degli organismi che la compongono, espressi in termini assoluti o relativi all’unità spaziale (superficie, volume) •Composizione : Biodiversità e distribuzione delle abbondanze relative degli individui appartenenti alle diverse popolazioni. Si può studiare tramite indici di diversità (es. indice di Simpson, indice di Shannon, indici di equipartizione) e curve di distribuzione (es. curve abbondanza/rango) •Organizzazione spaziale: disposizione degli organismi nello spazio e subcomunità •Rete di interazioni: numero e tipologia di interazioni interspecifiche (competizione, predazione, ecc.) attive all’interno della comunità. Connettanza •Reti alimentari o trofiche •Piramidi alimentari o trofiche Rete di interazioni in un ambiente litorale PREDAZIONE COMPETIZIONE COMPETIZIONE PER LE RISORSE – UNA RISORSA ESSENZIALE R* k 1/ 2m (rmax - m ) R* è tanto più bassa (R tanto meno limitante per la specie) quanto minore è la costate di semisaturazione e quanto maggiore r max Synedra ulna Asterionella formosa Tasso di crescita r1 max r2 max m R2* R1* Risorsa R La specie con minore fabbisogno di risorsa (più basso valore di R*) escluderà competitivamente tutte le altre allo stato stazionario m COMPETIZIONE PER RISORSE ESSENZIALI – GLI ESPERIMENTI DI TILMAN Coesistenza Synedra Asterionella R* 0 10 20 Temperatura Il fabbisogno di risorsa (R*) varia in funzione delle condizioni ambientali, per cui anche l’esito della competizione per una risorsa essenziale è vincolato dal complesso dei fattori limitanti 24° C COMPETIZIONE PER LE RISORSE DUE RISORSE ESSENZIALI R1* A esclude competitivamente B A VC ZNGI (Zero Net Growth Isocline) VCA VCB B Risorsa R2 R2 ZNGI di B ZNGI di A R1 R2* Esclusione o coesistenza VCA Risorsa R1 VC = vettore di consumo La coesistenza di specie in competizione per le stesse risorse essenziali è possibile a patto che le specie siano più competitive (R* più basso) per risorse diverse, ovvero che le ZNGI si incrocino nello spazio delle risorse A R2 VCB A+B B ZNGI di A ZNGI di B R1 COMPETIZIONE PER RISORSE ESSENZIALI – GLI ESPERIMENTI DI TILMAN Tabellaria fenestrata Fragilaria crotonensis Cyclotella meneghiniana Asterionella formosa Esito della competizione per due risorse essenziali (fosfato e silicato) tra due specie di diatomee COMPETIZIONE PER LE RISORSE – GLI ESPERIMENTI DI GAUSE COMPETIZIONE PER LE RISORSE ESSENZIALI – NUMERO DI SPECIE MASSIMO A C D ZNGI di D R2 B ZNGI di C ZNGI di A Il numero di specie (in competizione per le stesse risorse essenziali ) che può essere realizzato in una comunità all’equilibrio stazionario in un ambiente omogeneo non può superare il numero di risorse limitanti ZNGI di B R3 R1 R4 Come si spiega allora l’elevato numero di specie che coesistono spesso in natura ? Paradosso del plancton (Hutchinson, 1960) COMPETIZIONE PER LE RISORSE ESSENZIALI – EFFETTO DELL’ETEROGENEITA’ AMBIENTALE VCA 1 Variabilità disponibilità risorse A A+B VCB VCB B 2 B+C C C+D R2 VCD D 3 ZNGI A,B, C, D R1 L’eterogeneità ambientale, in termini di distribuzione delle risorse, può permettere la coesistenza di un numero elevato di specie, soprattutto in ambienti contemporaneamente limitanti per più risorse Ricchezza di specie H’ di Shannon R1 VCC VCC Ri* Ricchezza di risorsa Paradosso dell’arricchimento COMPETIZIONE PER LE RISORSE ESSENZIALI – EFFETTO DEL DISTURBO AMBIENTALE Fattori di disturbo (naturale o antropico) possono impedire ad una comunità di raggiungere lo stato stazionario e quindi impedire il completamento della esclusione competitiva tra le specie. Eventi di disturbo con frequenza ed intensità “intermedi” possono consentire la coesistenza di molte specie in competizione per le medesime risorse (teoria del disturbo intermedio – Connell, 1978) BIODIVERSITA’ A SELEZIONE ALLOGENA C B R2 SELEZIONE AUTOGENA R1 Disturbo frequente Disturbo intenso Fase pioniera infrequente Disturbo lieve Fase tardiva Paradosso del plancton (Hutchinson, 1960) COMPETIZIONE PER LE RISORSE – IL PRINCIPIO DI GAUSE O DI ESCLUSIONE COMPETITIVA B A C R2 ZNGI R1 Cosa accade se più specie hanno identici fabbisogni di risorsa? …ovvero identiche nicchie ecologiche? COMPETIZIONE PER LE RISORSE – IL PRINCIPIO DI GAUSE O DI ESCLUSIONE COMPETITIVA In situazioni reali non si osserva mai una completa identità tra fabbisogni di risorsa e nicchie ecologiche per più specie … da cui discende il principio di Gause (1934), secondo il quale: •non esiste competizione “completa” tra due specie •ovvero, due specie in competizione non possono occupare un’identica nicchia ecologica R2 •ovvero, due specie con ecologia identica non possono coesistere in uno stesso luogo R1 La tendenza in natura a realizzare nicchie diverse suggerisce che organismi in competizione tendano a minimizzare la sovrapposizione di nicchia per massimizzare la propria fitness distanza tra le nicchie Espansione di nicchia con esclusione competitiva Espansione con differenziamento di nicchia sovrapposizione tra le nicchie Ampiezza di nicchia L’espansione con esclusione competitiva può scaturire da modificazioni ambientali (es. riduzione delle risorse disponibili) L’espansione con differenziamento di nicchia presuppone la disponibilità di risorse non ancora sfruttate. La specializzazione presuppone che l’abbondanza delle risorse privilegiate sia sufficiente a sostenere ogni popolazione Contrazione di nicchia (specializzazione) DIFFERENZIAMENTO DI NICCHIA E SPOSTAMENTO DI CARATTERI IN SINTESI, QUANDO CI SI PUÒ ASPETTARE ELEVATA BIODIVERSITÀ DI SPECIE IN COMPETIZIONE? Ambienti ad elevata eterogeneità Ambienti sottoposti a disturbo “intermedio” Ambienti stabili e ricchi di risorse Ambienti limitanti per più risorse