2. Ekosystem Ziemi

2. EKOSYSTEM ZIEMI
2.01. Ewolucja chemiczna Ziemi
2.02. Początki Ŝycia na Ziemi
2.03. Ewolucja biologiczna Ziemi
2.04. Ewolucja biologiczna Ziemi – gatunek ludzki
2.05. Ekosfera – systemy ekologiczne i pierwiastki Ŝycia
2.06. Biocykle – obieg azotu w przyrodzie
2.07. Uproszczony schemat ziemskiego ekosystemu
2.08. Biocykle – ekosystem wodny
2.09. Sieciowa budowa systemu
2.10. Program BIOSFERA II
2.11. Uniwersalne prawa ekologii
1
2.01. Ewolucja chemiczna Ziemi
15 mld lat jakie upłynęły od prawybuchu („big bang”) odniesione do skali 1 roku
kalendarzowego
1 styczeń
prawybuch – big bang – około 15 mld lat temu
1 maj
powstanie Galaktyki (Drogi Mlecznej)
9 wrzesień
początki systemu słonecznego
14 wrzesień
formowanie się Ziemi
25 wrzesień
początki Ŝycia na Ziemi
2 październik
powstanie najstarszych znanych na Ziemi skał
9 październik
najstarsze skamieliny bakterii i sinic
1 listopad
wynalezienie płci „ u mikroorganizmów
12 listopad
najstarsze skamieliny roślin wykorzystujących proces fotosyntezy
15 listopad
rozwój organizmów z wyraźnie wyodrębnionym jądrem komórkowym
2
2.02. Początki Ŝycia na Ziemi
W doświadczeniach prowadzonych
obecnie, w których taką prymitywną
atmosferę poddano działaniu źródeł energii
podobnych do działających wówczas,
uzyskano szereg niskocząsteczkowych
związków, w większości wchodzących w
skład Ŝywych organizmów.
wodór
metan
woda
amoniak
energia
niestabilne proste
związki chemiczne
Co spowodowało sprzęŜenie dwóch samoodtwarzających się systemów, których
ewolucja rozpoczęła się prawdopodobnie niezaleŜnie:
● systemu białkowego
● systemu kwasów nukleinowych,
w kompleks kwasy nukleinowe - białka czyli jak powstał biopolimer ?
Albo co spowodowało oddzielenie się systemu biopolimerów od otoczenia, czyli
w jaki sposób powstał prototyp błony komórkowej umoŜliwiającej powstanie
pierwszej prakomórki ?
3
2.03. Ewolucja biologiczna Ziemi
1 grudnia
powstawanie tlenu w atmosferze ziemskiej
17 grudnia
rozkwit bezkręgowców
18 grudnia
pierwszy plankton w oceanach
19 grudnia
pierwsze ryby i kręgowce
20 grudnia
początek kolonizacji lądu przez rośliny
21 grudnia
pierwsze owady i zwierzęta lądowe
22 grudnia
pierwsze płazy i uskrzydlone owady
23 grudnia
pierwsze drzewa i gady
24 grudnia
dinozaury
26 grudnia
pierwsze ssaki
27 grudnia
pierwsze ptaki
28 grudnia
pierwsze kwiaty, wyginięcie dinozaurów
29 grudnia
pierwsze naczelne
30 grudnia
początki ewolucji płatów czołowych mózgu naczelnych
31 grudnia
pierwsze istoty człekokształtne
4
2.04. Ewolucja biologiczna Ziemi – gatunek
ludzki
~1330
pojawienie się prawdopodobnych przodków ludzi i małp
~2230
pierwsi ludzie
2300
rozpowszechnienie się narzędzi z kamienia
2346
opanowanie ognia przez człowieka pekińskiego
2358
kolonizacja Australii przez ludzi
2359
malowidła jaskiniowe w Europie
-40
s
wynalezienie rolnictwa
- 25 s
pierwsze miasta
- 10 s
panowanie pierwszych dynastii sumeryjskich i egipskich, początki astronomii
-9s
wynalezienie alfabetu
-8s
kodeks Hammurabiego
-7s
okres brązu, wojny trojańskie, wynalezienie kompasu
-6s
okres Ŝelaza, załoŜenie Kartaginy przez Fenicjan
-4s
geometria Euklidesa, fizyka Archimedesa i astronomia Ptolemeusza
-3s
wynalazek zera i liczb dziesiętnych w Indiach, upadek Rzymu
-1s
Renesans w Europie, początki metod doświadczalnych w nauce
0s
uzyskanie przez ludzkość energii pozwalającej na samozagładę, pierwsze podróŜe w kosmos
5
2.05. Ekosfera – systemy ekologiczne
i pierwiastki Ŝycia
CZŁOWIEK
ATMOSFERA
POWIETRZE
HYDROSFERA
WODA
LITOSFERA
GLEBA
EKOSFERA ANTROPOSFERA
SYSTEMY EKOLOGICZNE
CYWILIZACJA
NAUKOWO-TECHNICZNA
EKOSFERA
BIOLOGICZNA PRZESTRZEŃ śYCIOWA CZŁOWIEKA
zrozumieć
czym jest i jak
funkcjonuje
ekosfera ?
PIERWIASTKI śYCIA
WĘGIEL
WODÓR
TLEN
AZOT
CYWILIZACJA
EKOROZWOJU
6
2.06. Biocykle – obieg azotu w przyrodzie
Azot występuje
• w stanie wolnym w powietrzu
• w stanie związanym w związkach organicznych występujących w humusie czyli
organicznej części gleby,
• w związkach organicznych tworzących białko, kwasy nukleinowe, enzymy i
witaminy
POWIETRZE
A
Z
O
T
BAKTERIE AZOT
I GLONY
BIAŁKO
ROŚLINY
ZWIERZĘTA
A
Z
O
ODPAD ORGANICZNY
T
A
N
Y
MIKROORGANIZMY
BIOLOGICZNE
ENERGIA
AZOT BAKTERIE
GNILNE
HUMUS
GLEBA
SYSTEM KORZENIOWY ROŚLIN
PROCESY UTLENIANIA
TLEN
WODA
AZOTANY
WODNY ROZTWÓR AZOTANÓW
HUMUS
7
2.07. Uproszczony schemat ziemskiego
ekosystemu
PROMIENIOWANIE SŁONIECZNE
ULTRAFIOLET
O2
CO2
ROŚLINY
OZONOSFERA
DODATNI EFEKT TERMICZNY
(CIEPŁO)
ZWIERZĘTA
POKARM
ZIELONE
H2O
ROŚLINOśERNE
ODPAD ORGANICZNY
HUMUS
8
2.08. Biocykle – ekosystem wodny
TLEN
e
n
e
r
g
i
a
e
n
e
r
g
i
a
ŚWIATŁO
Tempo przemian metabolicznych
tempo w jakim organizm zuŜywa
pokarm, tlen czy produkuje odpady
jest odwrotnie proporcjonalne
do wielkości tego organizmu
fotosynteza
łańcuch
GLONY
p
o
k
a
r
m
AZOTANY
troficzny
PLANKTON
RYBY
Np.
jeśli dla ryb przyjmiemy jako równe 1,
to dla glonów wynosi ono 100,
a dla bakterii gnilnych jest 10 000
ODPADY ORGANICZNE
Podobnie porównać moŜna
cykl reprodukcji:
dla ryb – kilka miesięcy
dla glonów- kilka dni
dla bakterii –kilka godzin
BAKTERIE GNILNE
W ekosystemie jeśli nie Wszechświata, to Układu Słonecznego, największe tempo
przemiany metabolicznej i najkrótszy cykl reprodukcji charakteryzuje gatunek ludzki
9
2.09. Sieciowa budowa systemu
Ekosfera ma postać sieci ekologicznej, którą stanowią skomplikowane,
wzajemnie przenikające się ekosystemy (układy ekologiczne).
Im większy stopień skomplikowania danego układu, tym większe i bardziej
długotrwałe napięcia jest on w stanie wytrzymać nie ulegając zniszczeniu.
Charakterystyczną cechą ekosystemu jest cykliczność zachodzących w nim
przemian. Tempo przemian musi być wyznaczone przez najpowolniejszy etap
cyklu. Tylko wówczas działa bowiem dynamiczna samokompensacja systemu
i nie dochodzi do jego zniszczenia.
Sieć ekologiczna ma cechy wzmacniacza. Małe zewnętrzne zakłócenia w
jednym punkcie mogą spowodować odległe w czasie i przestrzeni znaczące
dla systemu zmiany
10
2.10. Program BIOSFERA II
Edward Bass – 100 mln $ - 1988 - południowa Arizona – 12 000 m2 – miniatura planety Ziemia –
realizacja programu badawczego stacje międzyplanetarne
biom mieszkalny (8 osób)
biom rolniczy
technosfera (rurociąg
gazowy – jedyna łączność
ze światem zewnętrznym)
Pod szklaną kopułą (H=26m)
113800 gat. roślin i
zwierząt
• tropikalny las, mini-rzeka,
•sawanna
• krajobraz bagienny,
• mini-ocean, rafa koralowa
• pustynia
1991 r. – początek eksperymentu
1994 r. – załamanie programu
○ 10 % nieszczelność gazowa
○ dostarczano tlen i inne zapasy
○ zmienność zawartości CO2
○ nadmierna koncentracja N2O
○ kwaśne deszcze
○ wzrost populacji karaluchów i
mrówek kosztem innych
gatunków
konieczność wymiany gleby,
powietrza i wody
11
2.11. Uniwersalne prawa ekologii
1. KaŜda rzecz jest powiązana z wszystkimi innymi rzeczami - sieciowa struktura
ekosystemu.
2. KaŜda rzecz musi się gdzieś podziać
W przyrodzie nie istnieje coś takiego jak odpad. Dla kaŜdej substancji organicznej
istnieje w przyrodzie enzym, który moŜe ją rozłoŜyć. Nie moŜe więc powstać Ŝadna
materia, jeśli brak jest moŜliwości jej rozkładu.
3. Przyroda wie najlepiej.
Oznacza to, Ŝe kaŜda powaŜniejsza zmiana sztucznie dokonana przez człowieka w
systemie naturalnym jest wg wszelkiego prawdopodobieństwa szkodliwa dla tego
systemu.
4. Nie istnieje coś takiego jak obiad za darmo.
KaŜdy zysk osiągany jest jakimś kosztem. Zapłaty za eksploatację środowiska nie
moŜna uniknąć. MoŜna ją tylko odsunąć w czasie.
...
5. Wszystkie cztery prawa ekologii obowiązujące w ekosystemie Ziemi są
prawdziwe równieŜ w ekosystemie jeśli nie Wszechświata, to przynajmniej
naszego układu słonecznego.
12