Ekologia ogólna dla biotechnologii itd. Wykład 1

Transkrypt

1 Ekologia ogólna dla biotechnologii itd. Wykład 1

2 Sprawy organizacyjne Wykładowcy: Prof. dr hab. Ryszard Laskowski Prof. dr hab. January Weiner Instytut Nauk o Środowisku Czas i miejsce: poniedziałki, godz , Gronostajowa 7, sala D106 Materiały pomocnicze do wykładów:

3 FORMA ZAJĘĆ Wykłady (15 godzin) Konwersatoria (15 godzin) KaŜde spotkanie: 1 godz. wykładu, 1 godz. konwersatorium Obecność na konwersatorium obowiązkowa

4 CEL KURSU Informacja nt. podstawowych zagadnień ekologii jako nauki biologicznej, o waŝnych implikacjach praktycznych Zaspokojenie ciekawości zainteresowanych uczestników kursu Szczegółowy program moŝe być negocjowany

5 PRZYBLIśONY HARMONOGRAM JW Wstęp domena ekologii warunki Ŝycia na Ziemi JW Biogeneza strategie metaboliczne produkcja pierwotna RL Dekompozycja JW Biogeochemia RL Klimat biomy gleby RL Sukcesja, hipoteza Gai JW Ekosystemy (teoria) JW Ekosystemy (przykłady) WIELKANOC Międzyświęcie JW BioróŜnorodność JW Ekologia zespołów RL Biogeografia wysp RL Populacja RL Populacja JW Ekologia fizjologiczna

6 Podręcznik zalecany J. Weiner, "śycie i ewolucja biosfery", WYDANIE II PWN (2003)

7 Inne podręczniki A. Mackenzie, A.S. Ball, S.R.Virdee, Ekologia (krótkie wykłady), PWN, 2000

8 Inne podręczniki C. J. Krebs. Ekologia, PWN, 1996 (wybrane zagadnienia)

9 Lektura pomocnicza Lektury nieobowiązkowe dla zainteresowanych nowoczesną ekologią będą wskazywane w toku kursu.

10 ZALICZENIE Egzamin pisemny (testowy) odbędzie się w terminie i miejscu podanym przez Dziekana. Ocena dostateczna wymaga uzyskania co najmniej 50% dobrych odpowiedzi; Wynik z testu stanowi 70% oceny końcowej Pozostałe 30% - aktywność na konwersatoriach

11 Pytania i postulaty studentów? Tryb kursu? Zakres? Podręczniki? Terminy? Zasady zaliczania i egzamin? Inne?

12

13 ZAŁOśENIA PODSTAWOWE KURSU EKOLOGII

14

15

16 Tort Oduma

17 EKOLOGIA JEST JEDNYM Z PROGRAMÓW BADAWCZYCH BIOLOGII?

18 TYPOWE PYTANIA STAWIANE PRZEZ EKOLOGÓW Na czym polega równowaga w układach biologicznych? Skąd się bierze i jak się utrzymuje róŝnorodność biologiczna? Na czym polega regulacja liczebności organizmów? Co ogranicza tempo procesów biologicznych? Co decyduje o rozmieszczeniu przestrzennym organizmów (skala!)? Na czym polega przystosowanie organizmów do środowiska? itd...

19 ZASTOSOWANIA EKOLOGII GOSPODARKA ZASOBAMI NATURALNYMI OCHRONA PRZYRODY OCHRONA ŚRODOWISKA

20 ekologia = PWN 2004

21 ZASTOSOWANIA A NAUKA PODSTAWOWA OCIEPLENIE GLOBALNE ZANIECZYSZCZENIE ŚRODOWISKA ODNAWIALNOŚĆ ZASOBÓW WYMIERANIE GATUNKÓW BILANS WĘGLA W BIOSFERZE DEKOMPOZYCJA, ADAPTACJA REGULACJA LICZEBNOŚCI, STABILNOŚĆ EKOSYSTEMÓW

22 Lektury pomocnicze nt. metodologii i pragmatyki nauk (science)

23 METODOLGIA I PRAGMATYKA NAUK PRZYRODNICZYCH MOCNE WNIOSKOWANIE (hipotetyczno-dedukcyjne) SFORMALIZOWANE MODELE RYGOR TESTOWANIA HIPOTEZ HIERARCHIA: HIPOTEZA-TEORIA- PARADYGMAT PUBLIKACJA RECENZOWANA OTWARTA KRYTYKA

24 PROBLEM SAMOTRWAŁOŚCI BIOSFERY ( sustainability ) 1. Bilans energii i materii w biosferze: pomiar ilości biomasy, energii, składników pomiar tempa przepływu (obiegu) [produkcja, dekompozycja] oszacowanie błędów pomiaru obliczenie bilansu 2. Czy bilans jest zaburzony? obserwacje zmian bilansu w długim czasie

25 PROBLEM SAMOTRWAŁOŚCI BIOSFERY 3. Wyjaśnienie przyczynowe (hipotezy?) badanie korelacji zmian z róŝnymi czynnikami odgadywanie mechanizmów badanie modeli matematycznych szacowanie prawdopodobieństwa weryfikacja (obserwacja eksperyment) umocnienie hipotezy - teoria 4. MoŜliwość przewidywania (zastosowania)

26 PROBLEM RÓśNORODNOŚCI BIOLOGICZNEJ 1. Ile jest gatunków? 2. Zasięgi gatunków? 3. Tendencje do zmian liczebności? pomiary liczebności modele dynamiki liczebności

27 PROBLEM RÓśNORODNOŚCI BIOLOGICZNEJ 4. Mechanizmy zmian? Hipotezy alternatywne, np.: zmiany w środowisku? pomiar parametrów środowiska pomiar wraŝliwości organizmów modele teoretycznie weryfikacja konkurencja o zasoby?

28 PROBLEM RÓśNORODNOŚCI BIOLOGICZNEJ 4. Mechanizmy zmian? Hipotezy alternatywne, np.: zmiany w środowisku? konkurencja o zasoby? pomiar obfitości zasobów pomiar zapotrzebowania organizmów modele teoretyczne weryfikacja Przewidywania (praktyka ochrony przyrody)

29 OCHRONA ŚRODOWISKA CZŁOWIEKA GOSP0DARKA ZASOBAMI DLA CZŁOWIEKA OCHRONA PRZYRODY PRZED CZŁOWIEKIEM (DLA CZŁOWIEKA)

30 śycie BIOSFERY

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

32 Mars

33 Ziemia

34 śycie na Ziemi widać z daleka

35 Literatura popularnonaukowa

36

37

38

39 Planety Układu Słonecznego

40

41 KsięŜyce Jowisza Io Europa Ganimedes Callisto

42 1. Skorupa ziemska: km 2. Płaszcz: 2900 km Jądro 3470 km o C 3700 o C

43 Energia geotermalna

44 Wg. Winogradowa, 1960 Energia cieplna wytwarzana w głębi Ziemi wskutek rozpadu pierwiastków radioaktywnych

45 TW U Wg. Winogradowa, 1960 Razem Energia cieplna wytwarzana w płaszczu Ziemi wskutek rozpadu pierwiastków radioaktywnych napędza procesy tektoniczne K Th 238 U TW = W Miliardy lat wg. Winogradowa, 1960, zmienione

46 Późny karbon mln lat

47 Koniec permu mln lat

48 Kreda/Trzeciorzęd mln lat

49

50

51 Energia promieniowania słonecznego

52 ENERGIA SŁONECZNA Stała słoneczna (poza Ziemią): 1360 W/m 2 Średnio na powierzchnię kuli: 1/4 Odbicie od atmosfery: ok. 1/3 Pochłanianie atmosferyczne: ok. 1/3 Średnio na powierzchni Ziemi: ok. 113 W/m 2 Rozkład nierównomierny

53 Skąd się biorą pory roku? geography for kids?

54 Spektrum promieniowania słonecznego Stała słoneczna: 1360 W/m 2

55 DŁUGOFALOWE ZMIANY BILANSU CIEPLNEGO ZIEMI ZMIANY KLIMATU Hipoteza Milankovica

56 ZMIANY MIMOŚRODU ORBITY Okres ok lat Aphelium Peryhelium Mimośród orbity (A-P)/(P+A) Minimum 0,005 Odległość od Słońca [mln km] Peryhelium 148,9 Aphelium 150,4 Obecnie 0, ,2 152,2 Maksimum 0, ,4 158,9

57 ZMIANY NACHYLENIA OSI ZIEMI DO PŁASZCZYZNY EKLIPTYKI Okres ok lat Maksymalne nachylenie Obecnie Minimalne nachylenie

58 PRECESJA Okres ok lat lat temu Obecnie

59 Zmiany klimatu w fanerozoiku CIEPŁO ZIMNO Okresy zlodowaceń Miliony lat temu Wiki

60 65 milionów lat zmian klimatu Wiki

61 5 milionów lat zmian klimatu

62

63 Cykl plam słonecznych

64 Dobowa pow. plam słonecznych uśredniona na poszczególne obroty Słońca

65 Atmosfera Ziemi

66 Profil termiczny Atmosfery Ziemi

67 Nasłonecznienie kwh m -2 doba -1

68

69 Odbite promieniowanie krótkofalowe (W/m 2 ) Bilans promieniowania Ziemi efekt cieplarniany Promieniowanie długofalowe Ziemi (W/m 2 )

70

71 Cyrkulacja atmosferyczna

72 Obieg wody, tys. km 3 /rok ATMOSFERA 14 lodowce gleba 65 jeziora 46 rzeki 1,2 wody podziemne OCEAN

73 Sezonowość opadów atmosferycznych SEAWIFS

74 Erupcja Pinatubo Filipiny, 1991 pyły i gazy sięgnęły stratosfery 15 mln ton SO 2 do stratosfery aerozol siarczanowy absorpcja promieniowania słonecznego obniŝenie temperatury globalnej średnio o 0.6 ºC

75 Warto zaprenumerować!

76 Historia Ziemi

77 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)

78 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

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

80 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)

81 POWSTANIE śycia (BIOGENEZA)

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

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

84 Eksperyment Millera

85 Wynik eksperymentu Millera

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

87 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

88 Źródło hydrotermalne

89 Gorące źródła hydrotermalne ekosystemy chemoautotroficzne (siarkowe)

90 Lost city Chłodne źródła hydrotermalne (węglanowe)

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

92 DRZEWO FILOGENETY CZNE GŁÓWNE TAKSONY LUCA?

93

94 Banded Iron Formation

95 Stromatolity Współczesne (Bahama) Kopalne (Kanada)

96 Stromatolity współczesne

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

98 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)

99