Un approccio modellistico allo studio dell'accrescimento fogliare in Posidonia oceanica

Abstract

Negli ambienti marino-costieri, le fanerogame marine rappresentano delle vere e proprie key species costituendo ecosistemi complessi responsabili di contribuire in maniera considerevole alla stabilità ed alla conservazione della fascia costiera. Per il suo ruolo ecologico (indicatore biologico di qualità ambientale, elevata produttività, stabilizzazione dei processi di sedimenzione e conservazione dell’equilibio geomorfologico del litorale, habitat di elezione e zona di nursery per numerose specie di interesse commerciale) la Posidonia oceanica, è sicuramente la specie più importante e le sue praterie sono oggi considerate habitat primario di interesse comunitario dalla Direttiva Habitat (92/43/CEE). In questo ultimo secolo, il crescente impatto antropico (pressione demografica, urbanizzazione, industrializzazione, inquinamento e cambiamenti climatici globali) ha fatto si che gli ecosistemi litorali e quelli a Posidonia oceanica in particolare, fossero tra i più minacciati e soggetti a fenomeni di forte degrado tanto che la Posidonia oceanica è attualmente inserita nella lista delle specie in pericolo o minacciate acclusa alla Convenzione di Barcellona. Tali premesse hanno reso sempre più forte la necessità di approfondire le conoscenze sulla biologia e la fisiologia di questa pianta allo scopo di comprendere anche i complessi meccanismi che sono alla base del suo ecosistema. In quest’ottica il presente lavoro è parte di una ricerca multidisciplinare e pluriennale, attualmente ancora in corso e relativa ad un progetto di espianto, trapianto, mantenimento e monitoraggio di esemplari di Posidonia oceanica nel tratto marino compreso tra i comuni di Civitavecchia (RM) e Santa Marinella (RM). Tale progetto ha fornito la possibilità di analizzare una enorme quantità di materiale fogliare restituendo una cospicua base di dati sia fenologici che di accrescimento. La disponibilità di questa estesa quantità di informazione fenologica, nonché di quella derivata da un intenso lavoro di recupero di database storici, ha rappresentato lo spunto per realizzare una analisi preliminare dei dati relativi ai tassi di accrescimento fogliare della prateria oggetto di studio, ma soprattutto per cercare di formalizzare un modello analitico capace di descrivere i principali processi di accrescimento delle foglie di P. oceanica mediante la simulazione della dinamica stagionale delle fasi di espansione, longevità e senescenza dei suoi lembi fogliari. Va sottolineato che le importanti differenze in termini fisiologici e di pattern di crescita, della Posidonia oceanica rispetto alle altre fanerogame marine, hanno reso e rendono tuttora, molto difficile l’applicazione a quest’ultima, di modelli già disponibili e sviluppati per altri generi di fanerogame. Lo scopo di questa tesi è stato dunque, sviluppare un percorso di analisi ed approfondimento dei processi di espansione ed erosione delle foglie di P. oceanica che avesse come obiettivo la realizzazione di uno strumento modellistico da implementare ad “hoc” capace di descriverne i processi di accrescimento e fornire utili informazioni per la comprensione dei meccanismi che ne sono alla base. Per quanto il supposto modello non preveda un approccio “whole-plant”, è indubbio che esso possa rappresentare la prima essenziale componente di un modello più completo e complesso in cui la parte fogliare potrà essere complementata in un prossimo futuro, anche da un modello di crescita dei rizomi Il confronto dei risultati restituiti dalla simulazione con i dati osservati e disponibili per la validazione, rivela che questo modello fornisce una rappresentazione ragionevole del ciclo stagionale di crescita delle foglie di Posidonia. Malgrado ciò, la performance meno soddisfacente nella simulazione dei processi di sviluppo a carico del tessuto bruno, impone in un prossimo futuro un miglioramento della fase di calibrazione e di ottimizzazione dei parametri del modello non escludendo anche l’applicazione, di processi di calibrazione comunque euristici, ma di nuova concezione come gli algoritmi genetici. D’altro canto è pur vero che i processi alla base dell’espansione e dell’erosione dei tessuti fogliari (di quello verde, ma soprattutto di quello bruno) di P. oceanica sono non solo estremamente complessi, ma anche poco noti. Le difficoltà mostrate in questo lavoro, nel cercare di modellizzare in maniera efficiente, affidabile e generalizzabile una serie di processi le cui dinamiche sono ancora in parte sconosciute suggerisce, se non impone anche, la necessità di sviluppare con maggiore attenzione studi di campo volti ad approfondire i meccanismi che soggiacciono a tali processi di accrescimento. In definitiva, il modello presentato rappresenta la prima tessera sicuramente perfezionabile, di un mosaico molto complesso e potenzialmente sviluppabile capace di rappresentare con il dovuto dettaglio le dinamiche di crescita di una componente fondamentale dell’ecosistema marino costiero. Non è escluso dunque, che esso opportunamente modulato, possa rappresentare anche un utile strumento per la regolamentezione degli interventi antropici sugli ecosistemi che caratterizzano la fascia costiera come quello a Posidonia oceanica.

In coastal marine environments, seagrasses are key species constituting complex ecosystems that make a considerable contribution to the stability and conservation of the coastal environment. Thanks to its ecological role (biological indicator of environmental quality, high productivity, stabilization of sedimentation processes and geomorphologic conservation of the coastal area, habitat and nursery area for numerous species of commercial interest) the Posidonia oceanica is the most important species, and its meadows are considered a primary habitat of general interest by the Council Directive on Habitat (92/43/CEE). Over the last century, the increasing human impact (demographic pressure, urbanization, industrialization, pollution and global climate change) has meant that coastal ecosystems and particularly those of the Posidonia oceanica, have been among those most threatened and subject to heavy degradation. As a consequence, Posidonia oceanica is now included in the list of endangered species included in the Barcelona Convention. This situation has made it all the more necessary to deepen knowledge of the biology and physiology of this plant, also with the aim of understanding the complex mechanisms underlying its ecosystem. With this in mind, this study is part of a multidisciplinary research project being carried out over a number of years and still ongoing. It consists of the explantation, transplantation, maintenance and monitoring of Posidonia oceanica specimens in the stretch of sea between Civitavecchia (RM) and Santa Marinella (RM). This project has provided the opportunity to analyze an enormous amount of leaf material producing a remarkable bank of phenological data. The availability of such a vast quantity of phenological information, together with data accumulated thanks to intensive efforts to recover available historical databases, provided the stimulus to carry out a preliminary analysis of data relating to leaf growth rates for the meadow under study. Above all, however, the objective was to attempt to formalize an analytical model able to describe the growth processes in P. oceanica leaves through a simulation of the phases of expansion, longevity and biological aging of its leaves. It should be noted that the significant differences between Posidonia oceanica and other types of seagrass, in physiological terms as well as in terms of their growth patterns, have made and continue to make it extremely difficult to apply existing models or those developed for other types of seagrass to Posidonia oceanica. The aim, therefore, of this thesis was to develop a pathway of analysis and elaboration of the processes of expansion and erosion of P. oceanica leaves, with the ultimate objective being the production of a modelling tool that could be implemented “ad hoc” and that was able to describe the growth processes and provide useful information for the comprehension of the mechanisms at its basis. Although the supposed model does not provide a “whole-plant” approach, it can certainly be considered as the first essential component of a more complete and complex model in which the leaf part may be complemented by a rhizome growth model in the near future. Comparison of the results obtained from the simulation with the data observed reveals that this model provides a reasonable representation of the seasonal growth cycle of the leaves. Nevertheless, the less satisfying performance in the simulation of the brown tissue, calls for an improvement of the calibration phase and that of the optimization of the model’s parameters, suggesting the application in the near future of a calibration process based on the development of other tools as the genetic algorithms. On the other hand, it is also true that the processes at the basis of the expansion and erosion of P. oceanica leaf shoots are not only extremely complex, but also little-known. The difficulties demonstrated in this study, in attempting to efficiently and reliably simulate a series of processes whose dynamics are still partially unknown, would suggest or even impose the need to develop field studies more carefully, with the aim of broadening our understanding of the mechanisms underlying such growth processes. In summary, the model presented is the first, perfectible step in a very complex and potentially developable mosaic, able to represent the growth dynamics of a fundamental component of the coastal marine ecosystem. It is not out of the question, therefore, that if correctly modulated, it could even be a useful tool in the regulation of anthropic intervention on the coastal ecosystems such as Posidonia oceanica.