EKOLOGIA dla BIOTECHNOLOGII. Wykład 2

Transkrypt

1 EKOLOGIA dla BIOTECHNOLOGII Wykład 2

2 POWSTANIE śycia (BIOGENEZA)

3 January Weiner: HIPOTEZY O POWSTANIU I WCZESNEJ EWOLUCJI śycia HISTORIA DOCIEKAŃ (OD DARWINA DO MILLERA)

4 Historia Ziemi

5 ATRYBUTY śywego Jedność strukturalna wszystkich organizmów C, H, O, N, S, P... białka, tłuszczowce, węglowodany budowa komórkowa kod genetyczny Zdolność do przetwarzania materii (METABOLIZM) Zdolność do replikacji (ROZMNAśANIE) Działanie doboru naturalnego (EWOLUCJA)

6 Skład chemiczny organizmów DNA,RNA, ATP Węglowodany Tłuszcze Białka Woda Związki chemiczne P N O H C O H C O H C S N O H C O H świnia ryba grzyb Roślina Bakteria Zawartość w organizmach Pierwiastki

7 H C O N S (CH 2 O) n Obfitość pierwiastków we wszechświecie P

8 SUBSTRATY śycia Budowa biomasy DONOR ELEKTRONóW (REDUKTOR LUB SUBSTRAT ENERGETYCZNY) (CH O), H, NH, H S AKCEPTOR ELEKTRONóW (UTLENIACZ) - -- O,NO,SO,CO Energia (praca)

9 Aleksander Iwanowicz Oparin i Salvadore Dali (Barcelona, 1973)

10 Eksperyment Millera

11 Wynik eksperymentu Millera

12 BAZA EMPIRYCZNA TEORII BIOENEZY Dane geologiczne (geochemiczne) Dane paleontologiczne Badania astrobiologiczne Badania porównawcze współczesnych organizmów Eksperymenty laboratoryjne

13 DWIE GRUPY HIPOTEZ: ZIMNA ZUPA (Miller i wsp., następcy): ocean + atmosfera; energia słoneczna i/lub elektryczna; najpierw heterotrofia GORĄCA PIZZA (Wächtershäuser i wsp.) źródła hydrotermalne; chemosynteza od początku; znaczenie pirytu

14 Źródło hydrotermalne

15 Źródła hydrotermalne ekosystemy chemoautotroficzne

16 Lost city Chłodne źródła hydrotermalne (węglanowe)

17 ŚWIAT RNA? LUCA? BIOGENEZA I WCZESNA EWOLUCJA śycia Last Universal Common Ancestor Last Universal Cellular Ancestor

18 DRZEWO FILOGENETYCZNE GŁÓWNE TAKSONY LUCA?

19 Termofile

20 HISTORIA śycia NA ZIEMI

21 Historia Ziemi

22 MIKROORGANIZMY PREKAMBRYJSKIE (-770 : mln lat) Schopf 2002

23 Banded Iron Formation

24 Stromatolity Współczesne (Bahama) Kopalne (Kanada)

25 Stromatolity współczesne

26 śycie jako właściwość planety śycie to endoenergetyczny proces, polegający na cyklicznym utlenianiu i redukowaniu związków węgla, realizowany przez autokatalitycznie powielające się makrocząsteczki (organizmy).

27 śycie biosfery = cykl redoks węgla DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko Ŝywe organizmy UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli (CH O) 2 n DEPOZYCJA (złoŝa paliw)

28 SUBSTRATY śycia Budowa biomasy DONOR ELEKTRONóW (REDUKTOR LUB SUBSTRAT ENERGETYCZNY) (CH O), H, NH, H S AKCEPTOR ELEKTRONóW (UTLENIACZ) - -- O,NO,SO,CO Energia (praca)

29 Reakcja redoks 2H 2 = 4H + + 4e - O 2 + 4e - = H 2 + O 2 = 2H 2 0 H = donor elektronów, reduktor O = akceptor elektronów, utleniacz

30 Potencjał REDOX O 2 /H 2 O NO 3 - /N 2 - NO 3 - /NH 4 + (CH 2 O)/CH 4 SO 4 2- /SH - S/SH CO 2 /(CH 2 O)

31 ODDYCHANIE

32 Metabolizm chemoautotrofów

33 Fotosynteza

34 Widmo promieniowania słonecznego

35 Widma chlorofilu i bakteriorodopsyny

36 Solanki na płw. Paraguana, Wenezuela

37

38 PRODUKCJA PIERWOTNA BIOSFERY

39 śycie biosfery = cykl redoks węgla DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko Ŝywe organizmy UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli (CH O) 2 n DEPOZYCJA (złoŝa paliw)

40

41

42 MIARY STANU I TEMPA PRODUKCJI BIOMASY 1. Stan: g (kg) biomasy / m 2 [ha, km 2 ] 2. Produkcja: g [kg] biomasy / (m 2 [ha km 2 ] rok [doba, godz] PRZELICZENIA JEDNOSTEK 1 g s.m. ~ 5 g biomasy = 4.1 kcal = 17.2 kj 1 g węgla = 2.4 g s.m. (bo: C 6 H 12 O 6...) 1 kcal = J 1 g C = ok.. 10 kcal 1 J/sec = 1W = 86.4 kj/dobę

43 POŚREDNIE METODY POMIARU Pp ZaleŜności morfometryczne drzew Produkcja liści i gałęzi (g s.m./rok) Masa korzeni (g s.m.) Pierśnica (cm) Masa nadziemna (g s.m.)

44 Produkcja pierwotna nadziemna [g/(m 2.rok)] Biomasa liści (g/m 2 )

45 POŚREDNIE METODY POMIARU PRODUKCJI PIERWOTNEJ: Stosunek reflektancji (near IR)/R LAI = Leaf Area index LAI

46 Zasada pomiaru NDVI NDVI = (IR-R)/(IR+R)

47 ZASADA ZDALNEGO POMIARU NDVI

48 NDVI = (IR-R)/(IR+R)

49

50 Produktywność Oceanów Z danych satel. SeaWiFS Science, czerw. 2002

51

52 Główne ograniczenie Pp: WODA

53 SZTUCZNE NAWODNIENIE PUSTYNI

54 Nawadniane pola, Kansas (USA). NASA

55

56

57 Tabela wybranych wartości Pp na lądach Lasy równikowe Lasy umiarkow. Tajga Sawanna, Stepy itp. Inne Razem lądy g /(m 2.rok) t/rok

58 Tabela wybranych wartości Pp w morzach Otwarty ocean Upwellingi Szelfy kontynentalne Rafy koralowe Estuaria Razem morza g /(m 2.rok) t/rok

59 Mapa produktywności lądów

60 Mapa produktywności oceanów

61 Mapa produktywności

62 BILANS ENERGETYCZNY BIOSFERY CAŁKOWITA PRODUKCJA OCEANÓW: ton C/ rok = ton s.m. / rok = J / rok = MW CAŁKOWITA PRODUKCJA LĄDÓW: ton s.m. / rok = J / rok = MW RAZEM BIOSFERA: J / rok = MW (inne źródła: MW) ENERGIA ZE SŁOŃCA (PhAR): MW Pp = % PhAR

63

64 Tempo zuŝycia energii, W Metabolizm maksymalny Maks. asymilacja energii z pokarmu Metabolizm minimalny Człowiek: w spoczynku W przy pracy W ZuŜycie energii przez człowieka ( ) na tle fizjologicznego zapotrzebowania na energię ( ) u ssaków (wg Weiner 1989)

65 ZuŜycie energii na głowę (średnie dla regionów) Świat OECD Śr. Wschód Były ZSRR Eur. Nie-OECD Chiny Azja Am. Łac. Afryka Polska Regiony kw

66

67 WZROST CAŁKOWITEJ PODAśY ENERGII NA ŚWIECIE 2003: Mtoe = GW

68 PRZEWIDYWANY WZROST PODAśY ENERGII NA ŚWIECIE (DO 2030 WZROST O OK. 60%) GW GW

69 Udział róŝnych źródeł energii w Polsce Łączna podaŝ: 3516 PJ/rok (2003); 111,5 GW = ok. 3 kw/głowę 11% 2% 0% 21% 51% Węgiel kamienny Węgiel brunatny Ropa itd. Gaz wysokometan Gaz zaaztotowany elektr. Wodne 15%

70 tzw. ENERGETYCZNE ZASOBY ODNAWIALNE Biomasa Opał, biogaz, etanol, biodiesel itd. Energia wiatru Energia rzek i pływów Energia słoneczna Panele cieplne, ogniwa fotowoltaiczne Energia geotermalna

71 OCENA MAKSYMALNEJ PODAśY ENERGII Z BIOPALIW (dane z: J. Kuś, 2002 i GUS) uprawa max. plon t/ha Wart. energ. jedn. plon GJ/ha ile max ha? max prod. TJ/rok moc GW Słoma (6-7 mln t) 15 MJ/kg ,33 Wierzba MJ/kg ,83 Inne rośl MJ/kg ,47 Rzepak (MER) 1,02 41,87 MJ/kg 13, ,42 Etanol l/ha Połowa obecnego areału tych upraw pszenica ,17 MJ/l 29, ,94 Ŝyto ,17 MJ/l 16, ,40 kukurydza ,17 MJ/l 52, ,34 ziemniak ,17 MJ/l 42, ,54 buraki cukr ,17 MJ/l 78, ,37 Suma ,64 Suma podaŝy en Maksymalny % udziału biopaliw ,9 111,49 14,9

72 Energia z biomasy w warunkach Polski: Pełne pokrycie (en. brutto!) - około 1 ha na osobę; Obecnie areał ziemi ornej wynosi 12 mln ha. Gdyby cały areał ziemi ornej przeznaczyć na cele energetyczne pokryłoby to niespełna 1/3 zapotrzebowania energetycznego kraju

73 BIEśĄCE KOSZTY ENERGETYCZNE PRODUKCJI ENERGII (ZWYKLE POMIJANE;Pimentel et al..) Hydroelektrownie 1:24 Biomasa 1:7 Energia z wiatru 1:5 Energia fotowoltaiczna 1:3 Biogaz 1:2 Energia geotermalna 1:48 Węgiel 1:8 Energia jądrowa 1:5 Gaz ziemny 1:8 Etanol 2:1 Biodiesel 2:1

74

75 PRODUKCJA PIERWOTNA BIOSFERY A CYWILIZACJA ŚREDNIE ZUśYCIE 2 kw /1 człowieka KRAJE ROZWINIĘTE 10 kw / 1 człowieka Pp BIOSFERY MW = kw ( ) / 10 = = 10 miliardów ludzi (cywilizowanych nadmiernie) ( )/2 = = 50 miliardów ludzi (cywilizowanych średnio...)

76 FRAKCJA PRODUKCJI PIERWOTNEJ BIOSFERY PRZEJMOWANA PRZEZ CYWILIZACJĘ 10 55% TNPP (4 18% NPP) Pg C

77

78 HYDROELEKTROWNIE Hoover Dam Colorado USA

79 =311 GW HYDROELEKTROWNIE

80

81

82 ZAINSTALOWANA MOC ELEKTROWNI WIATROWYCH 2003, ŚWIAT: MW

83 ELEKTROWNIA WIATROWA O MOCY 2 3 MW

84 średnica rotora 100 m ELEKTROWNIA WIATROWA O MOCY 2 3 MW

85 średnica rotora 100 m ELEKTROWNIA WIATROWA O MOCY 2 3 MW 82 m

86 średnica rotora 100 m ELEKTROWNIA WIATROWA O MOCY 2 3 MW 82 m

87 Zainstalowana moc ogniw fotowoltaicznych Spadek ceny: $75/Watt; $3/Watt

88

89

90

91

92

93 MITOLOGIA ZIELONYCH PŁUC