Come il consumo di energia può influenzare la dimensione di una popolazione

Folla - Foto di Brenton Nicholls Parliamo di risparmio energetico, risorse rinnovabili, nuove tecnologie e, più in generale, di sviluppo sostenibile: sviluppo in grado di non compromette la capacità delle generazioni future di soddisfare le proprie necessità. La dimensione della popolazione umana è un fattore rilevante per lo sviluppo e il mantenimento di una società sostenibile ed è quindi essenziale comprendere gli elementi che ne regolano la crescita.

Anche se ci sono molteplici fattori in ballo (come la disponibilità di acqua, l’economia, l’evoluzione culturale, etc.), in generale possiamo dire che i tassi di crescita di una popolazione dipendono dal fatto che nuovi individui competono per la stessa energia (crescita densità-dipendente) oppure contribuiscono a generare nuove energie (crescita esponenziale o super-esponenziale).
L’energia è il denominatore comune a tutte le popolazioni in quanto tutte le forme di lavoro, sia che stiamo parlando di tasso metabolico, di uso industriale, di agricoltura, di trasporto d’acqua o di fornitura di un’assistenza sanitaria, richiedono un dispendio energetico.

La comprensione della regolazione della popolazione globale è quindi la comprensione di come la disponibilità di energia sia legata alla dimensione di una popolazione.

Con tasso di crescita di una popolazione si indica il grado con cui il numero di individui in una popolazione cresce in un certo lasso di tempo, espresso come frazione della popolazione iniziale.

Dimensione globale della popolazione attraverso gli anni
Fig.1 Dimensione globale della popolazione attraverso gli anni

È stato ipotizzato che la crescita esponenziale e super-esponenziale negli esseri umani sia il risultato della cosiddetta “capacità portante dell’ambiente”, che è determinata, tra gli altri fattori, dalla disponibilità di energia. La capacità portante dell’ambiente è la capacità di un ambiente e delle sue risorse di sostenere un certo numero di individui senza causare un significativo impatto ambientale negativo sugli stessi. Intuitivamente possiamo dire che al di sotto della capacità portante la popolazione tipicamente cresce mentre al di sopra tipicamente decresce.
Possiamo quindi individuare tre scenari:

  • La popolazione è al di sotto del valore di capacità portante, c’è molta disponibilità di risorse pro capite e quindi si verificherà un aumento del numero di individui;
  • La popolazione è in uno stato di equilibrio durante il quale i tasso di natalità uguaglia il tasso di mortalità;
  • La popolazione supera la capacità portante, da cui deriva una diminuzione della natalità, una diminuzione della disponibilità delle risorse pro capite e una maggiore competizione fra gli individui.

La capacità portante dipende non solo dal numero di individui ma anche dallo stile di vita e quindi dal consumo energetico pro capite. Inoltre, la capacità portante dell’ambiente può variare nel tempo a causa di molto fattori, tra cui: disponibilità di cibo, rifornimento idrico, condizioni ambientali e spazio abitativo. I limiti della capacità portante di un determinato territorio non sono fissi, ma possono estendersi con l’introduzione di nuove tecnologie in grado di aumentare la capacità produttiva di quell’ambiente.

Alcuni dei meccanismi di regolazione delle popolazioni sono dipendenti dalla densità degli individui (crescita densità-dipendente). In particolare, i tassi di natalità e i tassi di mortalità cambiano in funzione della densità di individui in un’area perché esiste una quantità limitata di risorse che possono essere consumate. Possiamo avere sia una densità-dipendente positiva, in questo caso la crescita della popolazione è facilitata dall’aumento della densità di popolazione oppure una densità-dipendente negativa, per la quale la crescita della popolazione è invece ridotta dall’affollamento. In un ambiente con risorse limitate solo un numero definito di individui può vivere; superare la capacità portante può condurre anche all’estinzione della specie. Ma la società può evolvere con la tecnologia, di modo da aumentare la capacità portante.

Il rapporto tra l’uso di energia e le dimensioni di una popolazione può essere descritto dalla relazione Etot = e0Nε dove Etot è l’energia totale utilizzata dalla popolazione,  e0 è una costante, N è la dimensione della popolazione e ε è il fattore di scala. A seconda del valore che assume ε possiamo distinguere tre regimi di crescita:

  • ε < 1 crescita sub-lineare (o densità-dipendente): i livelli pro capite di uso energetico diminuiscono con l’aumentare delle popolazione;
  • ε ≈ 1 crescita lineare: l’energia non è limitante e la popolazione può crescere anche esponenzialmente;
  • ε > 1 crescita super-esponenziale: ho un feedback positivo tra la dimensione della popolazione e l’abilità della popolazione ad accedere e utilizzare l’energia.

La storia della crescita globale della popolazione umana ha incluso tutti e tre gli scenari ed è noto che l’uso globale di energia è aumentato con la dimensione della popolazione, anche se non è chiaro come sia variata la resa energetica nel tempo e nello spazio. In particolare, il passaggio da una crescita a densità-dipendente ad una crescita super-esponenziale è stato possibile grazie alle trasformazioni avvenute nel settore agricolo e industriale che resero disponibili maggiori risorse. Maggiori risorse a disposizione significò una maggiore popolazione e quindi una maggiore manodopera impiegata nell’attività manifatturiera e nella campagna che produsse a sua volta maggiori risorse. Un’accelerata allo sviluppo demografico fu possibile quindi (in particolare in Inghilterra alla fine del XVIII secolo) grazie alla rivoluzione industriale.

Opinione comune è il fatto che la crescita esponenziale e super-esponenziale vista storicamente è stata possibile grazie ad un feedback positivo della dimensione della popolazione sulla capacità portante dell’ambiente. Uno studio da parte di DeLong (DeLong et al, 2015) supporta l’ipotesi che la capacità portante è aumentata più velocemente rispetto alle dimensioni della popolazione nel corso della storia cosi come il rendimento energetico necessario per sostenere questo aumento è avvenuto a livello globale (Fig.2). Dal grafico si può vedere come per le quattro serie di dati si abbia ε > 1. Questo vuol dire ogni persona ha avuto accesso a più energia rispetto alla persona precedente e questo feedback positivo gioca un ruolo determinante per permettere alla popolazione mondiale di continuare a crescere molto rapidamente.

Relazione tra uso energetico e dimensione della popolazione
Fig.2 Relazione tra uso energetico e dimensione della popolazione per il mondo intero, gli Stati Uniti, la Svezia e Inghilterra e Galles. La relazione che lega le due grandezze è molto variabile ma in generale la pendenza delle curve (cioè ε) indica un feedback positivo tra la dimensione della popolazione e l’uso di energia
(fonte doi:10.1371/journal.pone.0130547.g002).

Nonostante la generale crescita super-esponenziale, il rapporto popolazione-energia è stato altamente variabile attraverso gli anni. Dalle serie storiche di dati è possibile vedere in certi punti delle fluttuazioni nella relazione popolazione-energia. Queste fluttuazioni sono dovute a particolari eventi storici duranti i quali profondi cambiamenti socio-economici e ambientali hanno influenzato il rendimento di energia pro capite: la piccola Era glaciale durante il XVIII secolo, la rivoluzione industriale, le due Guerre mondiali e la crisi petrolifera degli anni Settanta hanno portato tutti ad un abbassamento dell’energia disponibile pro capite e ad un cambiamento nel tasso di crescita.

Sicuramente le variabili in gioco sono tante e lo sviluppo della popolazione è legato a molti fattori. Restano infatti ancora molte incertezze nei vari modelli che fanno previsioni sullo sviluppo della popolazione e sul consumo di energia. Uno studio più approfondito delle dinamiche dalla popolazione umana è necessario in quanto le dimensioni della popolazione sono un elemento centrale di un futuro sostenibile, in modo che ognuno di noi e le generazioni future riescano ad avere una quantità di risorse disponibili sufficiente.

Fonte

J.P. Delong, O. Burger, Socio-Economic Instability and the Scaling of Energy Use with Population Size, DOI: 10.1371/journal.pone.0130547