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Sostenibilità - Gaia
La vita sulla Terra crea e mantiene le condizioni per la vita stessa, grazie ad una forza agente che regola gli equilibri: Gaia.
Introduzione
Il concetto di Gaia nasce per spiegare il comportamento della "pellicola di vita" sulla Terra che tende a creare e conservare le condizioni per la propria esistenza. I cicli degli elementi sono parte integrante di questo sistema e le attività umane si sono inserite in questo equilibrio dinamico.
Gaia è in grado di adattarsi alle variazioni di questo equilibrio, ma gli adattamenti possono produrre delle profonde modificazioni nelle condizioni ambientali. L'evoluzione ha dato al Carbonio ed all'Ossigeno un ruolo centrale per gli esseri viventi, mentre la vita ha assunto forme organizzative particolari all'interno delle quali si consumano relazioni e conflitti tra gli organismi.
L'atmosfera terrestre
La composizione chimica dell'atmosfera terrestre rappresenta un'anomalia rispetto agli altri pianeti del Sistema Solare più o meno confrontabili con essa, come Marte e Venere.
Allo stesso modo, la temperatura media e la pressione misurabili sulla Terra si discostano in modo netto dagli altri pianeti.
In particolare, riferendosi alla composizione dell'atmosfera, è interessante notare come questi dati siano in netto contrasto con quanto ci si aspetterebbe sulla base dell'equilibrio chimico degli elementi.
La concentrazione percentuale di anidride carbonica, azoto e ossigeno su Venere, Terra e Marte:
Venere
Terra
Marte
I dati terrestri sulle concentrazioni percentuali degli elementi presi in causa sono sempre rovesciati rispetto a quelli di Marte e Venere: su questi pianeti, a fronte di una concentrazione elevatissima di CO2, si rileva una scarsità (o l'assenza) di O2 e N2; al contrario, il nostro pianeta, ha un'atmosfera composta per oltre tre quarti di N2, per quasi un quarto di O2, mentre la CO2 rappresenta una percentuale prossima allo zero.
Fonte: Lovelock James (1981), Gaia. Nuove idee sull'ecologia, Bollati Boringhieri, Torino
Alcune considerazioni:
Gaia
Che cos'è Gaia
Gaia è la sottile pellicola di vita che riveste completamente il pianeta Terra.
Gaia è un “sistema chiuso”; infatti esso è attraversato da flussi di energia (in particolare l'energia proveniente dal sole), mentre non ha scambi di rilievo con l'esterno per quanto riguarda la materia. In altri termini, si può affermare che Gaia ricicla completamente la materia.
Gli stock di Gaia
Le Matrici gaiane sono il supporto dove la biosfera ricicla la materia, nei tre stati fondamentali:
Pozzo è il luogo fisico dove si concentra un determinato tipo di materia perduta da Gaia. Serbatoio è il pozzo da dove Gaia recupera la materia depositata.
Cicli biogeochimici
In Gaia gli elementi chimici vengono tutti scambiati seguendo dei cicli caratteristici; i cicli possono investire le diverse matrici gaiane (atmosfera, idrosfera, litosfera) e le componenti biotiche.
Alcuni cicli sono macroscopicamente importanti e quindi molto studiati come, ad esempio, quelli del Carbonio, dell'Azoto, dell'Ossigeno.
Altri, altrettanto complessi, sono meno conosciuti, ma questo non significa che rivestano un'importanza minore. Purtroppo la scarsa conoscenza dei cicli di questi elementi - come il Fosforo (P), lo Zolfo (S), il Molibdeno (Mo), il Vanadio (V) e altri - determina un ampio margine di incertezza nel valutare le conseguenze degli interventi antropici nei confronti dell'ambiente.
Il ciclo del Carbonio
Il Carbonio è l’elemento più abbondante in Gaia. Il ciclo del Carbonio è da considerare come il più importante, in quanto tutti gli altri cicli biologici vi sono strettamente legati.
Il ciclo fondamentale è costituito dal continuo flusso di CO2 ed O2.
Quando il Carbonio viene organicato (attraverso la fotosintesi) da Gaia, Ossigeno viene rilasciato libero nell’atmosfera. Il ciclo si chiude quando i composti organici vengono ossidati (attraverso la respirazione). Ma se Gaia seppellisce Carbonio nella litosfera, l’equilibrio si sposta a favore della fotosintesi.
I serbatoi di Carbonio
L'entità dei diversi serbatoi di Carbonio (Gt):
Fonte: Falkowski et al., Science (2000) 290: 291-296 / (*) = fonte IPCC 2004
A fronte di una preponderanza quantitativa assoluta della litosfera, l’atmosfera risulta invece il serbatoio più piccolo, ma è quello da cui dipende la vita.
Ciò che conta non è la dimensione del serbatoio, ma la possibilità o meno da parte di Gaia di potervi accedere.
L'uomo nel ciclo del Carbonio
Il flusso di CO2 rappresentato dalle attività umane comporta un aumento netto del 13% circa di quello terrestre e del 6% di quello globale del pianeta.
Fonte: Falkowski P. G. (2002), The Ocean's Invisible Forest, in Le Scienze, 410, 2002
Tasso di ricircolo
Il tasso di ricircolo è il rapporto tra il flusso di un elemento che entra nel ciclo biologico - processato direttamente o indirettamente dalla fotosintesi - e quello che esce dal ciclo per finire seppellito in qualche pozzo geologico.
Rappresenta, tra l'altro, un valido criterio per valutare l’importanza di un certo ciclo biogeochimico. Infatti quanto più un elemento viene scambiato prima di uscire dal ciclo, tanto più risulta prezioso per Gaia e il motivo può risiedere, ad esempio, nella sua relativa scarsità in forme disponibili.
Ad esempio, il Carbonio ha un tasso di ricircolo pari a 200, mentre l'Azoto - con un valore di 571 - viene scambiato molte più volte prima di venire seppellito in un pozzo geologico.
Scale temporali
Il tasso di ricircolo degli elementi chiama in causa un altro fattore cruciale che riguarda le scale temporali.
Il fatto che gli elementi si spostino tra matrici biologiche e geologiche, implica che le velocità delle varie fasi di un ciclo siano molto diverse, obbedendo ai ritmi dell'una o dell'altra matrice.
Un atomo di Carbonio presente in un serbatoio nella litosfera sta attraversando un normale stadio del proprio ciclo, dal punto di vista geochimico ma, dal momento che i tempi di quella fase sono misurabili nell'arco di milioni di anni, quello stesso atomo di Carbonio è da considerare perso per Gaia, in quanto i tempi degli esseri viventi sono enormemente più ravvicinati.
Dunque per Gaia è importante non solo che un dato elemento sia presente, ma anche che lo sia in un luogo e in una forma accessibili e disponibili.
Analogamente si può ragionare sul concetto di rinnovabilità: dal punto di vista geologico tutto è rinnovabile, ma se un simile processo avviene in milioni di anni, non si può certo parlare di risorsa rinnovabile per Gaia.
Tempi di rinnovamento delle risorse
Si definisce “tempo di rinnovamento di una risorsa naturale” (tn) il rapporto tra il flusso in uscita e il flusso in entrata di un elemento (risorsa) nel sistema Gaia.
Quando un elemento esce dal ciclo di Gaia, cambia il suo tempo di rinnovamento che diventa geologico.
La risorsa diventa così non rinnovabile sulla scala temporale storica.
Su una scala temporale storica tn è costante.
L’aumento della potenza, realizzato con l'applicazione di tecnologie, provoca una diminuzione dei tempi umani (tu); si assiste ad un prelievo di risorse crescente per unità di tempo.
tu = lavoro / potenza
Sostenibilità si ha quando: tu > tn; infatti il prelievo di risorse deve avvenire in misura minore rispetto alla capacità del sistema di rinnovare quella medesima risorsa; nel caso contrario le riserve della risorsa sono destinate ad impoverirsi e, col tempo, ad esaurirsi.
Gilda biochimica
Si definisce gilda biochimica l’insieme degli organismi che svolgono la stessa funzione biochimica nel metabolismo di Gaia.
La gilda biochimica è uno strumento di analisi tassonomico utile per la valutazione dei flussi degli elementi che caratterizzano i cicli biogeochimici.
Esempi di gilde biochimiche sono i decompositori, i fotosintetizzatori, gli azotofissatori. All'interno di una gilda possono essere compresi organismi anche molto distanti tra loro da un punto di vista sistematico (si pensi ai fotosintetizzatori in cui troviamo dalle minuscole alghe verdi alle grandi specie arboree terrestri).
L'organicazione del Carbonio
Gaia, grazie all'energia solare, mette in moto e fa funzionare un ciclo di fotosintesi-respirazione che ha come risultato una produzione netta di energia chimica utilizzabile dagli organismi viventi.
Fotosintesi
La fotosintesi ha luogo all'interno di strutture chiamate cloroplasti, costituite da pile di unità fotosintetiche chiamate tilacoidi.
Nel cloroplasto la luce solare viene in parte assorbita dai tilacoidi secondo uno spettro caratteristico di ciascuna forma della clorofilla.
I picchi di assorbimento sono situati attorno ai 450 nm (zona del blu) e ai 650-680 nm (zona dell'arancione).
La clorofilla
La clorofilla è il collettore di fotoni che consente l'utilizzo dell'energia contenuta nella radiazione solare all'interno del processo che porta all'organicazione del carbonio.
Dal punto di vista chimico è un tetrapirrolo ciclico con al centro un atomo di Magnesio.
Struttura simile alla clorofilla mostra anche il gruppo Eme (costituente, ad esempio, dell'emoglobina) dove un atomo di Ferro prende il posto del Magnesio.
Aumento dell'intensità dei fenomeni atmosferici
Il Rubisco (Ribulosio difosfato carbossilasi ossigenasi) catalizza due reazioni fondamentali per l'organicazione del Carbonio.
Nella prima (carbossilasi) catalizza l'aggiunta di CO2 al Ribulosio 1-5 difosfato (RuBP) per formare 2 molecole di 3-fosfoglicerato (PGA) usate per la costruzione di carboidrati.
Nella seconda (ossigenasi) catalizza l'aggiunta di O2 al Ribulosio 1-5 difosfato (RuBP) per ottenere una molecola di 2-fosfoglicolato ed una di 3-fosfoglicerato (PGA).
Il sito attivo del Rubisco è in definitiva il luogo dove avviene l'organicazione del Carbonio, grazie alla fissazione riduttiva della CO2 in molecole di carboidrati; qui si può immaginare che prenda corpo quel "tocco vitale" che Michelangelo ha rappresentato nella "Creazione di Adamo", il celebre affresco che orna la Cappella Sistina.
L'Ossigeno nell'atmosfera
La storia della Terra può essere letta alla luce delle gradi variazioni nella presenza di Ossigeno in atmosfera:
(Volk, 1998)
Le variazioni di concentrazione di Ossigeno nell'atmosfera e le relative conseguenze sulla storia della Terra possono essere spiegate alla luce di concetti importanti come l'Omeostasi e l'Omeorresi.
Omeostasi e Omeorresi
Omeostasi.
Un sistema omeostatico è un sistema dove le parti instaurano e mantengono una relazione di stazionarietà fra di loro, mediante anelli di retroazione negativa, che garantisce stabilità all’intero. Le reazioni alle perturbazioni sono tese a riportare continuamente il sistema alle sue condizioni iniziali.
Il rapporto tra predatori e prede in un ecosistema rappresenta normalmente un sistema omeostatico: alla crescita del numero di predatori corrisponde una diminuzione significativa del numero delle prede, che innesca - per scarsità di cibo - un conseguente calo dei predatori.
Omeorresi.
Un sistema omeorretico è una variante di un sistema omeostatico all’interno del quale si attiva un anello a retroazione positiva che alimenta un processo a cascata, capace di spostare in modo irreversibile lo stato stazionario del sistema.
La comparsa dei primi fotosintetizzatori, comportò una variazione della concentrazione di gas nell'atmosfera e - malgrado una prima risposta omeostatica da parte di Gaia, con l'ossidazione di grandi volumi di rocce ferrose e la sottrazione di ossigeno dal sistema, con il perdurare dell'emissione di O2, divenne impossibile mantenere l'equilibrio di partenza. Gaia rispose così - secondo un meccanismo di retroazione positiva - con un processo a cascata che cambiò radicalmente e senza possibilità di ritorno l'equilibrio dell'atmosfera: l'ossigeno si accumulò, permise - grazie alla formazione dell'ozono - il filtraggio dei raggi UV, la conseguente conquista della terraferma e lo sviluppo di nuove specie vegetali ancora più efficienti sotto il profilo fotosintetico, con una spirale di crescita dell'O2 che andrà ad arrestarsi solo con il raggiungimento di un nuovo equilibrio, dettato questa volta dal rapporto fotosintesi-respirazione.
L'importanza del fenomeno dell'omeorresi, in riferimento alle problematiche della sostenibilità, è che esso scatena processi di immane portata che sfuggono ad ogni previsione e che sono spesso legati a livelli soglia: i cambiamenti non sono lineari, ma avvengono in modo repentino ed imprevedibile. Non ci è assolutamente possibile escludere che l'aumento dell'effetto serra cui assistiamo oggi non possa innescare un fenomeno omeorretico capace di cambiare il volto al nostro pianeta, rendendolo forse inospitale per la vita come oggi la conosciamo.
Il primo balzo di Ossigeno
Il primo sensibile aumento nella concentrazione di Ossigeno in atmosfera avviene oltre 3,5 miliardi di anni or sono ed è determinato da alcuni fattori, tra cui la comparsa di organismi fotosintetizzatori (e la diretta liberazione di Ossigeno) e la diminuzione dell’attività vulcanica, con la conseguente minor disponibilità di gas riducenti, come ad esempio, H2S.
Le conseguenze di questo aumento nella concentrazione di Ossigeno in atmosfera sono diverse e fra loro collegate:
E’ la prima grande crisi ecologica di Gaia!
Il secondo balzo di Ossigeno
Un secondo rilevante aumento nella concentrazione di Ossigeno in atmosfera può essere datato tra i 2 ed i 3 miliardi di anni fa e venne causato sia dalla continua liberazione di O2 dovuta alla fotosintesi, sia dall'ossidazione dei solfuri (S2-) - con la conseguente occupazione dei fondali più profondi - e del ferro (Fe2+) - con la formazione delle Banded Iron Formation.
Tra le conseguenze più eclatanti ci fu il raggiungimento di una soglia critica che permise lo sviluppo dei primi metazoi.
Il terzo balzo di Ossigeno
L'ultima grande variazione in ordine di tempo è relativamente più recente e si situa attorno a 400-200 milioni di anni fa.
Si registra una vera e propria impennata nella concentrazione di Ossigeno in atmosfera, arrivando ad un livello massimo del 26%.
Tra i fattori legati a questa escalation si fa riferimento alla formazione dell’Ipermare (una rete di ife fungine che connettono le radici delle piante con cui sono in simbiosi permettendo la circolazione di ioni inorganici) e la comparsa della lignina, i cui depositi del Carbonifero (340-265 milioni di anni fa) hanno determinato la formazione dei grandi giacimenti di combustibili fossili. E' importante notare che questo accumulo di residui vegetali si è potuto realizzare grazie al fatto che, per 80 milioni di anni dalla sua comparsa, nessun organismo è stato in grado di decomporre la lignina, la quale ha potuto così accumularsi liberamente in notevoli quantità.
Una delle conseguenze macroscopiche di questo terzo balzo dell'Ossigeno (legata direttamente alla disponibilità della lignina, con la sua funzione di sostegno) è stata la notevole crescita in dimensioni delle piante sia per quanto riguarda le parti aeree che l’apparato radicale.
E’ la seconda grande crisi ecologica di Gaia!
Olarchie
E' definita "olarchia" un'organizzazione costituita da sistemi completi fra loro interagenti che fungono da parti in un sistema completo di ordine superiore.
Gli interi si comportano quindi come parti del sistema-livello successivo.
Una catena esemplificativa può essere quella costituita da:
Atomi - Molecole - Cellule - Metazoi - Bioma - Gaia
All'interno di questa organizzazione complessa esistono numerose interazioni che determinano:
Il conflitto in natura
L'equazione della sicurezza applicata al conflitto in natura
L'istinto di conservazione degli organismi viventi ha accompagnato ed in qualche modo guidato l'evoluzione delle specie; il conflitto che accompagna la condivisione degli ambienti è una caratteristica fondamentale degli ecosistemi.
E' però possibile tentare una rilettura dell'evoluzione della vita sulla base non soltanto della competizione e quindi della lotta, ma anche alla luce dei fenomeni di cooperazione.
Il dato su cui si basa questa interessante interpretazione poggia sulla considerazione che maggiore è il grado di distruttività del predatore sulla preda, tanto più alto è il costo energetico che il predatore stesso deve sostenere per continuare a catturare ulteriori prede. Il carnivoro che uccide la preda, ogni volta dovrà trovarne un'altra, mentre l'organismo che parassita la sua preda, ha cibo assicurato per molto tempo senza dover spendere ulteriore energia.
Per leggere in modo preciso questo concetto si può applicare al conflitto in natura l'equazione della sicurezza:
Sv = Iv - Da + Dv(Da)
nella quale sono rappresentate le seguenti variabili:
Sv = grado di sicurezza della preda (v)
Iv = invulnerabilità della preda
Da = potenziale distruttivo del predatore (a)
Dv(Da) = potenziale di risposta della preda
L'equazione può essere commentata riferendo che il livello di sicurezza di una preda è dato dal proprio livello di inattaccabilità, di "robustezza" (l'invulnerabilità della preda) cui va sottratta la forza del predatore (il suo potenziale distruttivo) più la capacità della preda di assumere atteggiamenti volti a garantirne la salvezza (il potenziale di risposta della preda).
La relazione predatore-preda
Il conflitto tipico tra un predatore ed una preda (il consumato esempio del leone e della gazzella!) è rappresentato dalla seguente equazione della sicurezza:
Iv + Dv(Da) < Da
Si osserva come le risorse della preda [Iv + Dv(Da)] siano insufficienti per opporsi al predatore, con il risultato della distruzione della preda (v).
La tendenza evoluzionistica che può svilupparsi da questa situazione è il tentativo da parte della preda di aumentare le proprie difese o la propria capacità di risposta, cui dovrà far fronte il predatore con un ulteriore incremento del proprio potenziale distruttivo.
Si assiste ad una vera e propria "corsa agli armamenti".
Il parassitismo
Nel parassitismo, l'equazione della sicurezza assume la forma:
Iv + Dv(Da) = 1/t * Da
Qui l'escalation nella corsa agli armamenti ha prodotto un suo punto di equilibrio attorno al valore del parametro t, che rappresenta il tempo. Solo un fattore tempo < 1 può offrire un sufficiente vantaggio al predatore: si verifica un'aggressione repentina, assimilabile alla guerra-lampo, la blitzkrieg conosciuta nel secondo conflitto mondiale.
Allungando viceversa il tempo (t > 1) si raggiunge un equilibrio che permette al predatore di non uccidere la preda pur traendone comunque cibo; il parassitismo si configura quindi come forma evoluta di relazione predatore-preda diluita nel tempo.
Il commensalismo
Il commensalismo è quella forma di rapporto tra organismi che prevede l'interazione tra essi, senza che intervengano azioni distruttive reciproche.
Iv + Dv(Da) - 1/t * Da = Iv
Se il predatore (a) non provoca danni alla preda (v), ovvero Sv = Iv + Dv(Da) - Da > 0 , il potenziale di risposta Dv(Da) cessa di offrire un vantaggio evoluzionistico in termini di fitness reale.
In altri termini: se Da = 0 allora Dv(Da) = 0
Il nuovo punto di equilibrio coincide con un livello di aggressività pari a zero.
La simbiosi mutualistica
Nella simbiosi mutualistica, gli organismi coinvolti traggono reciproco vantaggio dall'associazione. L'equazione della sicurezza assume la forma:
1/t * Da < 0
Sv = Iv - 1/t * (-Da)
La distruzione cambia segno e diventa costruzione; il risultato è che la preda (v) diventa capace di collaborare e proteggere l’(ex-)predatore (a), assicurandosi un vantaggio in termini di aumento della sicurezza (Sv).
In sintesi
Procedendo dalla relazione predatore-preda verso la simbiosi si nota un progressivo incremento del grado di sicurezza tanto del predatore quanto della preda e la contemporanea diminuzione dell'investimento da parte della preda nei sistemi di difesa.
L'apoptosi
L’apoptosi è un tipo di morte che la cellula adotta volontariamente a vantaggio dell’organismo. E' stata osservata in alcuni organismi, come ad esempio in Caenorhabditis elegans; nel piano di sviluppo di questo invertebrato 131 cellule nascono, svolgono la loro funzione e poi devono morire al posto e al tempo giusto perché altrimenti l'animale non diventa adulto.
Si possono citare altri esempi di apoptosi come la coda nei girini, la piega interdigitale prima della formazione delle dita della mano nel feto, l’endometrio nelle donne nel periodo premestruale.
L'apoptosi rappresenta un interrogativo (perché delle cellule accettano un simile sacrificio preordinato?) cui è difficile dare una risposta senza riferirsi ad un'azione svolta con un fine che trascende l'individualità delle cellule, per il vantaggio dell'intero organismo.
Un esempio estremo di cooperazione.
D'altro canto esistono numerose prove dell'origine simbiotica dell'apoptosi:
Conclusioni
La ricercatrice Lynn Margulis, in "Acquiring genomes" (2002), New York: Basic Books, definisce la simbiosi come una associazione tra esseri viventi che vivono una relazione fisica e funzionale molto stretta.
Introduce inoltre la teoria secondo cui la cellula eucariote è il risultato di una endo-simbiosi seriale che ha coinvolto diverse cellule procarioti.
Sulla base delle conoscenze acquisite sembra possibile affermare che nei metazoi la cellula, pur conservando la propria individualità, assume una priorità diversa nel benessere dell’organismo che la trascende, anche se questo richiede il sacrificio del proprio sé individuale.
In questo senso l’apoptosi può essere considerata il punto più alto della simbiosi mutualistica.