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PROGETTO FINALIZZATO CAMBIAMENTI CLIMATICI E AGRICOLTURA "CLIMAGRI"

SOTTOPROGETTO 3 :  Siccità, desertificazione e gestione delle risorse idriche.

TEMATICA 3.3:

Modello previsionale delle conseguenze dell'aumento della temperatura e dell'irradianza ultravioletta sulla dinamica di popolazioni zooplanctoniche di interesse in acquacoltura

Responsabile della ricerca : Dr. Maurizio Severini - Istituto di Scienze dell'Atmosfera e del Clima (ISAC-CNR) Sezione di RomaVia del Fosso del Cavaliere, 100 - 00133 Roma

FINALITA' DELLA RICERCA

Le evidenze sperimentali dell'assottigliamento dello strato di ozono alle medie latitudini (Bojkov and Fioletov, 1995) e dell'aumento della concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera (Keeling et al., 1989) hanno convinto molti climatologi a formulare l'ipotesi secondo cui la temperatura ambiente e l'irradianza ultravioletta al suolo stanno aumentando (WMO, 1995).

La nostra ricerca si propone di mettere a punto un metodo di diagnosi e previsione dell'impatto di un (eventuale) aumento della temperatura ambiente e dell'irradianza ultravioletta al suolo sulla dinamica di popolazioni zooplanctoniche di interesse in acquacoltura e di proporre allarmi, procedure e dispositivi per attenuarne le conseguenze negative sulla economicità e sostenibilità ambientale dell'attività produttiva.

BASI TEORICHE E STATO DELL'ARTE .

Come è noto, il ciclo vitale di qualunque essere vivente (individuo) è costituito da una successione ordinata di stadi (o fenofasi) attraverso cui esso passa nel corso della vita. Questa successione è caratteristica della Specie animale o vegetale a cui l'individuo appartiene e tutti gli individui della stessa Specie attraversano la stessa successione di stadi. Una popolazione è, per definizione, l'insieme degli individui della stessa Specie che vivono nello stesso intervallo spazio-temporale ed una coorte è costituita da individui della stessa popolazione nati contemporaneamente. Se appartengono ad una Specie peciloterma (Podolsky, 1984), gli individui di una coorte raggiungono un qualunque stadio successivo alla nascita (ad es. la metamorfosi per gli Artropodi e gli Anfibi) in un tempo (detto età di maturazione) dipendente dalla temperatura. L'esperienza dimostra, tuttavia, che, anche se la temperatura si mantiene costante, essi non raggiungono lo stesso stadio contemporaneamente, ma distribuiti nel tempo (sviluppo stocastico, Curry and Feldman, 1987).

Secondo la nostra ipotesi, la distribuzione di probabilità dell'età di maturazione degli individui di una data Specie in condizioni ottimali a temperatura costante è una caratteristica della Specie stessa. Molte evidenze sperimentali, inquadrate nella Teoria dei Ritardi Distribuiti (Manetsch, 1976), suggeriscono che questa distribuzione coincide con la Distribuzione di Erlang (Severini et al., 1990), proposta inizialmente nell'ambito della cosiddetta Teoria delle Code. Lo sviluppo stocastico sarebbe, in ultima analisi, il risultato della interazione della variabilità del 'pool' genico di una Specie con l'ambiente fisico. Spesso le coorti con cui si opera hanno un numero d'individui 'piccolo' rispetto ai 'casi possibili' per i geni e, per determinare la Distribuzione di Erlang, bisogna ripetere più volte gli esperimenti.

Una coorte che si sviluppa ad una data temperatura in condizione di stress dà luogo ad una distribuzione delle frequenze dell'età di maturazione diversa da quella di una coorte simile che si sviluppa senza stress alla stessa temperatura. Su questa osservazione (verificata più volte in passato) si baseranno i due modelli d'impatto ambientale (uno analogico ed uno matematico) che verranno sviluppati nella presente ricerca.

DESCRIZIONE DELLA RICERCA ARTICOLATA NEI TRE ANNI

Nel corso della ricerca saranno prodotti due strumenti previsionali: un rivelatore biologico ed un programma per calcolatore. Si tratta di due modelli di simulazione: uno analogico (un microcosmo contenente una popolazione biologica) da esporre nell'ambiente naturale in studio, ed uno matematico (un sistema di equazioni basato sulla teoria dei ritardi distribuiti) da parametrizzare sulla base di dati fisiologici della popolazione in studio. I due modelli verranno applicati per la prima volta al progetto di acquacoltura in corso di realizzazione presso il Lago di Fogliano (Parco del Circeo).

Attività del primo anno:

a)      Prima applicazione all'aperto del modello analogico con coorti di una specie non autoctona (Xenopus laevis) per simulare l'impatto della radiazione UV.

b)      Determinazione in laboratorio dei parametri di stato del modello matematico e prima versione dello stesso, dipendente soltanto dalla temperatura.

c)      Caratterizzazione climatologica ed ecologica del sito sperimentale (Lagune Pontine).

Attività del secondo anno:

a)      Monitoraggio dell'irradianza UV e dei principali parametri microclimatici sul Lago di Fogliano.

b)      Realizzazione di un secondo modello analogico con coorti del Genere Artemia.

c)      Introduzione dell'effetto dell'irradianza UV (come attrito) nel modello matematico.

d)      Prove sperimentali con fogli plastici assorbenti radiazione UV posti sui simulatori analogici.

Attività del terzo anno:

a)      Monitoraggio dell'irradianza UV e dei principali parametri microclimatici sul Lago di Fogliano.

b)      Realizzazione di un terzo modello analogico con coorti di una specie autoctona di zooplancton.

c)      Introduzione della biomassa  nel modello matematico ed applicazione del modello completo (età e biomassa dipendenti da temperatura ed UV) a scenari futuri.

d)      Collaborazione con il Progetto Acquacoltura del Parco del Circeo per verificare l'utilità dei modelli e dei metodi messi a punto per la difesa dall'aumento di temperatura e d'irradianza UV.

OBIETTIVO DETTAGLIATO DEL PRIMO ANNO

La realizzazione e la prima sperimentazione all'aperto del modello analogico di simulazione dell'impatto della radiazione UV sulla dinamica di popolazioni di Xenopus laevis è l'obiettivo principale del primo anno. Il modello (microcosmo) sarà costituito essenzialmente da una coorte di 100 individui che si sviluppano con un tasso di mortalità trascurabile (<10%)  dall'oviposizione alla metamorfosi in un acquario da 50 litri nel quale i principali parametri fisici e chimici dell'acqua (temperatura, illuminazione, salinità, ossigeno, ecc.) sono accuratamente controllati o misurati. La distribuzione delle frequenze dell'età di maturazione verrà determinata osservando giornalmente i girini uno ad uno e confrontando il loro stadio con lo stadio 58 della classificazione di Nieuwkoop e Faber (1956). Saranno realizzati tre microcosmi uguali, le cui coorti verranno fatte sviluppare nello stesso tempo in condizioni ambientali differenti. Uno di essi verrà esposto alla luce solare diretta, un altro alla luce solare senza la componente UV ed il terzo tenuto al buio. Al termine dell'esposizione, della durata di circa due mesi, saranno confrontate le distribuzioni di frequenza dell'età di maturazione.

Nel primo anno sarà anche realizzato il modello matematico di simulazione della distribuzione delle frequenze dell'età di maturazione della coorte di X. laevis che si sviluppa al buio. L'unico parametro forzante del modello è la temperatura (dell'acqua del microcosmo), mentre i parametri di stato (valore aspettato e varianza della distribuzione delle frequenze dell'età di maturazione) saranno determinati sperimentalmente in laboratorio.

La caratterizzazione climatologica ed ecologica del sito sperimentale (Lagune Pontine) e la realizzazione di un Laboratorio per lo studio dell'impatto dell'irradianza UV sulle popolazioni biologiche saranno infine oggetto di attività di ricerca.

BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE

Bojkov R.D. and Fioletov (1995). Estimating the global ozone characteristics during the last thirty years- J.Geoph. Res.,100,16537-16551

Keeling C.D. et al., (1989). A three-dimensional model of atmospheric CO2 transport based on observed winds 1. Analysis of observational data. Geophysical Monograph, 55: 165-236.

WMO. (1995).The Global Climate System Review. Report 819.

Podolsky A.S. (1984). New Phenology. J. Wiley & Sons, New York

Curry G. and Feldman R. (1987). Mathematical Foundations of Population Dynamics. Texas A&M University Press.

Manetsch T. (1976). Time-varying distributed delays and their use in aggregate models of large systems. IEEE Trans. Syst. Man Cybern., 6, 547-553.

Severini M. et al., (1990). Theory and practice of parameter estimation of distributed delay models for insect and plant phenologies, in: R. Guzzi, A. Navarra and J. Shukla (eds.): "Meteorology and Environmental Sciences", 674-719, World Sci.

Nieuwkoop, P.D. and Faber J. (1956). Normal Tables Of  Xenopus laevis Daudin. North Holland, Amsterdam.  

DOCUMENTI

* Workshop Roma 10 ottobre 2001 - Fisica e biologia dei rischi ambientali da radiazioni ultravioletta .

* Modelli previsionali delle conseguenze dell'aumento della temperatura e dell'irradianza ultravioletta sulla dinamica di popolazioni zooplanctoniche di interesse in acquacoltura - Workshop Cagliari 16-17 Gennaio 2003.

* II° Workshop Roma 3-4 / 04 / 2003
 
L'effetto della variazione del clima sulle popolazioni naturali

* Scheda informativa sull'attività al 30/04/2003

* Relazione II° Anno

 

PUBBLICAZIONI

* N° 5 - Il modello a ritardi distribuiti per la simulazione dello sviluppo di una popolazione biologica a temperatura costante: caso della specie Artemia franciscana. Pubblicato per gli atti dell'XI° Congresso Nazionale della Società Italiana di Ecologia . Parco Nazionale del Circeo - Sabaudia 12-14 settembre 2001.

* N° 6 - Risultati preliminari sugli effetti della radiazione UV atmosferica sulla dinamica di sviluppo di coorti di Xenopus leavis nello stadio larvale. Pubblicato per gli atti dell'XI° Congresso Nazionale della Società Italiana di Ecologia Parco Nazionale del Circeo - Sabaudia 12-14 settembre 2001.

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