I processi dissipativi nella catena alimentare limitano il cibo per i consumatori

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La produttività primaria netta accumulata nei vegetali si rende disponibile per gli animali (organismi eterotrofi) presenti nei differenti livelli delle reti alimentari di ecosistemi terrestri e acquatici. Questi ultimi organismi sono noti come «consumatori». Produttori e consumatori durante il loro ciclo vitale rinnovano cellule e tessuti eliminando rifiuti organici che sono riciclati dagli organismi decompositori. Alla morte di tutti gli esseri viventi, siano essi produttori, consumatori o decompositori, la sostanza organica dei loro «corpi» si rende disponibile ancora per questi ultimi (gli spazzini della natura), soprattutto microrganismi, in grado di decomporla e renderla nuovamente inorganica (per esempio come sali di azoto e fosforo) disponibile per i produttori.

Questi processi di funzionamento della vita negli ecosistemi terrestri e acquatici sono possibili grazie al continuo flusso di energia solare. Però mentre la materia subisce numerose trasformazioni e quindi può essere riciclata e riutilizzata, l’energia nel suo fluire si degrada in quanto soggetta a processi dissipativi. Dalla termodinamica sappiamo che
1) l’energia si conserva, non si può creare né distruggere;
2) ad ogni trasformazione l’energia si degrada.

In altri termini, quando facciamo il pieno di gasolio nella nostra auto il motore consente di trasformare l’energia contenuta nel gasolio in energia di movimento ma soltanto una frazione diventa energia dinamica di movimento mentre frazioni rilevanti si «perdono» nel raffreddamento, attrito, gas di scarico, radiazione del motore etc. Così, non tutta l’energia contenuta nella radiazione solare captata dai sistemi fotosintetici viene trasformata in energia chimica, una parte consistente è perduta in forma di «calore» non utilizzabile. Non esistono macchine perfette con rendimenti del 100% nell’uso dell’energia; frazioni rilevanti si perdono in forma di energia degradata (entropia o disordine termodinamico).
Processi dissipativi che producono entropia si verificano anche nelle reti alimentari nelle quali oltre ai principi della termodinamica intervengono processi di tipo biologico. Pertanto, l’energia chimica contenuta nelle piante ovvero nel primo livello della catena alimentare non può essere completamente trasferita in quella degli animali erbivori ovvero del secondo livello della catena alimentare. Per esempio, un erbivoro nel suo pascolare non consuma totalmente i vegetali di cui si ciba, infatti, le radici o le parti più dure e meno appetibili non vengono mangiate. Eppure anche nelle radici e in tutte gli altri tessuti, siano essi duri o teneri, vi è energia chimica derivante dalla trasformazione di energia solare.

Quindi, questa frazione di energia non viene utilizzata. Inoltre, delle parti consumate non tutto viene assimilato e, quindi, alcuni tessuti vegetali non digeribili vengono eliminati con le feci.
Infine, di quanto è stato assimilato non tutto viene convertito in biomassa; una frazione consistente sarà utilizzata nei differenti processi metabolici che consentono le funzioni vitali dell’erbivoro, a partire dall’energia spesa per mangiare e per il movimento a quella spesa per processi di secrezione, digestione, riproduzione etc. degradandosi nel cosiddetto «calore respiratorio».
Quindi, a fronte di una certa quantità di energia contenuta negli organismi vegetali (produttori) soltanto una parte (circa il 10%) diventerà sostanza organica degli erbivori (consumatori primari). Così di tale sostanza


organica soltanto una frazione (variabile da 1 a 20%) diventerà sostanza organica dei carnivori (consumatori secondari). Infatti, anche per il trasferimento dell’energia dal secondo livello alimentare, quello degli erbivori, al terzo livello, quello dei carnivori valgono le medesime considerazioni energetiche.

Un leone che cattura e uccide una zebra non è in grado di consumarla in tutte le sue parti, tra cui le strutture scheletriche, i denti o gli zoccoli che pure contengono energia chimica. Quindi, questa frazione di energia non viene utilizzata. Così di quello consumato una parte non sarà assimilata e della parte assimilata una frazione rilevante sarà utilizzata per il fabbisogno metabolico del leone (anche per la cattura della zebra) che implica anche in questo caso un degrado come «calore respiratorio». Questo flusso di energia che parte dai vegetali e continua con erbivori pascolanti e carnivori che mangiano erbivori costituisce le catene alimentari del «pascolo».
L’energia non utilizzata e non assimilata può essere ancora recuperata nelle catene alimentari del «detrito» che partono dalla sostanza organica (resti di organismi, rifiuti organici, feci etc.) e vedono l’intervento degli spazzini della natura (detritivori, decompositori) fino ai loro predatori. Tutto il calore respiratorio prodotto in entrambi i tipi di catene alimentari non può essere più recuperato e va ad aggiungersi all’entropia o «disordine» dell’universo. Di fatto, le catene alimentari sono sequenze tra loro interconnesse che costituiscono reti alimentari attraverso le quali fluisce l’energia radiante convertita in sostanza organica.

A fronte di quanto appena riportato, è evidente che passando da un livello alimentare al successivo c’è sempre meno energia (e meno cibo) disponibile per gli organismi negli ecosistemi. Questo fatto incontrovertibile viene rappresentato attraverso piramidi alimentari in cui la quantità (numerica, in biomassa ed energetica) dei vegetali è maggiore di quella degli erbivori, quella di questi ultimi è maggiore di quella dei carnivori e così via fino ai carnivori terminali che sono gli organismi più rari del pianeta. Sempre meno bocche possono essere sfamate passando dal livello dei produttori a quello dei consumatori all’apice di tali piramidi.
Le proteine della carne sono presenti nella dieta dei popoli più ricchi, che possono permettersi il lusso di coltivare terra per produrre alimenti per gli animali domestici e vivere anche come consumatori secondari e terziari, mentre i poveri del mondo mangiano (quando possibile) riso, cereali e patate vivendo soltanto come consumatori primari.
La notevole perdita di energia ad ogni passaggio da un livello alimentare al successivo impone un limite al numero di tali livelli nelle reti trofiche.
L’evoluzione probabilmente non ha prodotto un predatore del leone non tanto perché il leone è così impossibile da uccidere e mangiare (il pianeta ha conosciuto predatori più grossi e terribili del leone) quanto perché ci sarebbe poca energia per sostenere un livello trofico al di sopra di quello del leone. Il fatto che i piccoli del leone possano essere predati dalle iene dipende dalla complessità delle interazioni tra organismi nelle reti trofiche e non significa che la iena occupa stabilmente un livello trofico


al di sopra di quello del leone.

Nel mare le catene alimentari si presentano più lunghe perché sia il consumo sia l’assimilazione soprattutto da parte degli erbivori e, in misura minore, dei carnivori è in genere più efficiente nel trasferire energia da un livello trofico al successivo.
In pratica ad ogni passaggio si perde un po’ meno energia nelle catene alimentari marine. Infatti, i vegetali marini sono più piccoli e teneri e, quindi, più facili da consumare e digerire anche da parte di erbivori a loro volta molto piccoli (zooplancton) mentre quelli terrestri, invece, sono più grandi e con solide strutture di sostegno, spesso molto dure, coriacee e spinose. Comunque, nel mare le reti alimentari sono persino più complesse in quanto la gran parte degli organismi si riproduce attraverso la produzione di uova e larve e, pertanto, molte specie prede mangiano uova e larve dei loro predatori. Inoltre, le cose sono ulteriormente complicate dal fatto che molti organismi marini passano da un livello trofico al successivo durante la loro crescita.