Ekologia ogólna. wykład 12 Regulacja ekosystemów i Biosfera

Transkrypt

1 Ekologia ogólna wykład 12 Regulacja ekosystemów i Biosfera

2 Budżet energetyczny Budżet energetyczny suma wydatków energetycznych na wszystkie czynności życiowe organizmu równoważny tempu przepływu energii przez ekosystem Z ekologicznego punktu widzenia dzieli się na: koszty utrzymania się przy życiu (R) koszty wzrostu i reprodukcji (P) Budżet energetyczny roślinożerców i drapieżników składają się na budżet biocenozy wykład 11/2

3 Metabolizm BMR (basal metabolism rate) Najmniejsza ilość energii konieczna do utrzymania organizmu przy życiu U kręgowców stałocieplnych BMR stanowi od 1/3 do 1/6 całego budżetu energetycznego. Równanie Kleibera BMR = 293 x masa ciała x 0.75 dla 70 kg 7090kJ/doba = 1700 kcal DEE (daily energy expedenture) Ilość energii zużywana na funkcjonowanie, z uwzględnieniem aktywności ptaki Fizjologia trawienia (przyswajania pokarmu) ogranicza wzrost populacji! ssaki wykład 12/3

4 Regulacja ekosystemów Kaskada troficzna Organizmy z jednego poziomu troficznego, poprzez presję na organizmy z drugiego poziomu, zmniejszają ich presję na poziom trzeci. kaskada top-down Presja drapieżników zmniejsza presję roślinożerców na rośliny kaskada bottom-up zanik producenta powoduje spadek liczebności na wyższych poziomach troficznych mięsożercy roślinożercy rośliny (producenci) wykład 12/4

5 Regulacja ekosystemów Hipoteza HSS (Hairston, Smith, Slobodkin 1960) = hipoteza zielonego świata W ekosystemach dominuje regulacja top-down i dzięki obecności drapieżników świat pozostaje zielony. wykład 12/5

6 Regulacja ekosystemów Gatunki zwornikowe Wpływ gatunku zwornikowego na ekosystem jest nieproporcjonalnie duży w stosunku do jego liczebności zwornik wykład 12/6

7 Regulacja ekosystemów Kaskada troficzna klasyczne przykłady jeziora Ameryki Płn ryby drapieżne ryby planktonożerne zooplankton fitoplankton brak drapieżników zakwit jezior Park Yellowstone wilki jelenie rośliny wilków zmieniają przebieg zgryzania przez jelenie, w rezultacie przekształca się cały ekosystem (też nadrzeczny!) Krytyka koncepcji HSS rośliny potrafią się bronić przed roślinożercami zagęszczenie roślinożerców może być regulowane innymi czynnikami niż pokarm i drapieżnictwo (np. choroby, miejsca do rozrodu) poziomy troficzne się zazębiają Pamiętacie mnie? wykład 12/7

8 Przykład Top-down w praktyce (Science 1991) spadek liczby wydr morskich wzrost biomasy jeżowców jeżowce jedzą więcej listownic spadek liczby listownic (Laminaria) wykład 12/8

9 Biosfera Wiek: 4,54 mld lat Życie od 4,28 mld lat Skład atmosfery: azot (78%) tlen (21%) argon (0,934%) dwutlenek węgla (0,038%) + para wodna 1 4%. wykład 12/9

10 Hipoteza Gai (~1970) Organizmy na Ziemi, w powiązaniu ze swoim środowiskiem, tworzą synergiczny, samoregulujący się złożony system, dzięki któremu na planecie podtrzymywane jest życie. James Lovelock Lynn Margulis wykład 12/10

11 Hipoteza Gai Pierwotnie ujęcie: superogranizm Ziemi (Gaja) w stanie homeostazy organizmy współdziałają w celu jego utrzymania Obecnie ujęcie: Organizmy koewoluują ze środowiskiem: wpływają na środowisko, a ono na nie. Szczególnie mikroorganizmy mają wpływ na obieg pierwiastków w przyrodzie. Organizmy realizując swoje samolubne cele razem mogą realizować (nieświadomie) jeden cel Istnieją procesy w skali planety prowadzące np. do stabilizacji klimatycznej biogeochemia, ekologia systemów, Earth system science wykład 12/11

12 Klimat Ziemi Hipoteza CLAW (RJ Charlson, J Lovelock, M Andreae, SGWarren) Między ekosystemami oceanicznymi a klimatem występuje pętla negatywnego sprzężenia zwrotnego. Plankton wytwarza siarczek dwumetylu (DMS) DMS powoduje wymuszenie radiacyjne (zmiana bilansu promieniowania w atmosferze) W rezultacie temperatura się stabilizuje. wykład 12/12

13 Klimat Ziemi Klimat Ziemi to przykład zjawiska emergentnego do jego zrozumienia nie wystarczy suma części trzeba go badać jako całość Interakcje między oceanami, klimatem i systemem geochemicznym Ziemi krążenie wody słodkiej parowanie precipitacja interakcje lódwoda zasadowość ekosystemy wybrzeżne i estuaria strefy zasolenia wykład 12/13

14 Cykl węgla Węgiel to pierwiastek biogenny, krąży między materią ożywioną i nieożywioną cykl naturalny cykl antropogenny wykład 12/14

15 Cykl węgla % NPP zatrzymywanej jako detrytus g/m2/rok lasy i zarośla namorzyny trawy (sawanny) bagna łąki podwodne rzeki makroglony ekos.bentosowe fitoplankton NPP nad i pod ziemią zimny step 2 step strefy umiarkowanej 3 zarośla strefy wilgotnej 4 sawanna 5 wilgotna sawanna wykład 12/15

16 Klimat Ziemi Klimat zmieniał się w historii

17 Zmiany w historii Ziemi 3.5mld lat temu - 0% tlenu w atmosferze, dziś - 21% Katastrofa tlenowa (2.4mld lat temu) Pierwsze organizmy fotosyntetyczne ~ 2,7 mld lat temu Początkowo cały wydzielany tlen wiązany przez reakcje z żelazem Wzrost stężenia tlenu dopiero po 300mln lat reakcje z metanem, zlodowacenie Wzrost stężenia tlenu w atmosferze wielkie wymieranie dziś mld lat temu wykład 12/17

18 Ziemia-śnieżka (snowball Earth) Prekambr całkowite zlodowacenie Ziemi dowody geologiczne: na równiku były lodowce nagły spadek fotosyntezy (izotopy C w oceanach) skład pierwiastków w skałach itd... Jak rozmarzła? silny efekt cieplarniany (potrzeba 13% CO2) gazy cieplarniane z wulkanów, nie wiązane przez skały Początek rozmarzania eksplozja kambryjska wykład 12/18

19 Zmiany w historii Ziemi Zmiany stężenia CO2 (w ppm) od plejstocenu ppm CO2 wykład 12/19

20 Efekt cieplarniany wykład 12/20

21 Zmiany w historii Ziemi Zmiana temperatury Ziemi w latach wykład 12/21

22 Efekt cieplarniany Gazy cieplarniane: CO 2, metan, para wodna, ozon pochłaniają promieniowanie w zakresie emitowanym przez powierzchnię planety Źródła naturalne: oddychanie organizmów żywych procesy zachodzące w skałach procesy wulkaniczne metabolizm bakterii Źródła antropogenne spalanie paliw kopalnych produkcja zw. chemicznych np. freony wykład 12/22

23 El Niño Skutki: susze i pożary w Australii mokrzejsza pora deszczowa i suchsza sucha w Afryce deszcze i powodzie na wschodzie Ameryki Płd Globalny wpływ na pogodę i jej rozregulowanie uderza w produkcję żywności i gospodarkę wykład 12/23

24 Rok bez lata , wybuch wulkanu Tambora zima wulkaniczna lód w lipcu i sierpniu w Pensylwanii, w czerwcu śnieg w Nowym Jorku głód w Europie, Azji i Ameryce wykład 12/24

25 Rok bez lata Chichester Canal, William Turner Hongkong, po erupcji Mount Pinatubo (1992) wykład 12/25

26 Anoxia w oceanach zdarzała się wielokrotnie w historii mogą być związane z wymieraniami ostatnio okres kredy (183 mln lat temu) zaburzenie obiegu węgla Po bardzo długim czasie (800 tys 1mln lat) możliwy powrót do równowagi mało tlenu w ocenie węgiel wiązany w osadach oceanicznych wzrasta ilość tlenu w atmosferze ocean się natlenia. wykład 12/26

27 Konsekwencje bałtyckie Zlodowacenia środkowopolskie krakowskie 1 bałtyckie 2 środkowopolskie 3 krakowskie 4 wysp pn-zach Europy 5 górskie 6 obszary lessowe wykład 12/27

28 Konsekwencje opad pyłku sosny BP BP okres preborealny ( BP) okres borealny ( BP) okres atlantycki ( BP) okres subborealny ( BP) opad pyłku buka okres atlantycki ( BP) okres subborealny ( BP) okres subatlantycki ( BP) wykład 12/28

29 Konsekwencje Puszczyk W Europie żyją dwie odmiany barwne, kolor zależy od ilości pigmentu determinowanej genetycznie Wzrost udziału formy brązowej przez ostatnie 48 lat w Finlandii z powodu mniej śnieżnych zim. Karell et al., Nature Communications 2011

30 Brzmi znajomo? Biston betularia (włochacz nabrzozak) pierwsza forma ciemna - Manchester, 1848 za barwę odpowiadają 3 geny (każdy ma 2 allele)

31 Konsekwencje Tymianek forma produkująca olejki eteryczne: odporna na upał, ginie na mrozie forma bez olejków: odporna na mróz, źle znosi suszę W ciągu 30 lat zanikły formy odporne na mróz w 17 z 24 badanych populacji ustała presja selekcyjna (mróz), zanikł polimorfizm Thompson et al, PNAS 2013 wykład 12/31

32 Konsekwencje Czas migracji wyzwalany fotoperiodem ale Wiosna zaczyna się wcześniej na skutek ocieplenia Późne przybycie mniej miejsc gniazdowych większa konkurencja Ptaki migrujące przylatują wcześniej (średnio 0.5 dnia na 2 lata). Niektóre gatunki nie potrafią się jednak dostosować Mayor et al, Scientific Reports 2017

33 Konsekwencje Ekosystem arktyczne: niedźwiedzie polarne Wzrost temperatury utrudnia niedźwiedziom polarnym polowanie na foki z kry Muszą przenieść się na ląd zanim zgromadzą zapasy na głodny okres Muszą pływać na dłuższe dystanse średnia masa samic w Zatoce Hudsona 1980 rok: 290 kg 2004: 230kg spadek liczebności ( ): 22% wykład 12/33

34 Konsekwencje Alczyki i widłonogi Alczyki jedzą widłonogi w okresie rozrodczym Alczyki nawożą glebę lądowych ekosystemów arktycznych Widłonogi lubią zimną wodę Mało nawozu mało roślin Liczba widłonogów spada na skutek ocieplenia klimatu Mało roślin mniej reniferów Mniej alczyków Problemy społeczności opartych na hodowli reniferów wykład 12/34

35 Podsumowanie Klimat Ziemi podlega ciągłym zmianom, wywołanym przez człowieka, innych gatunków, oraz pochodzenia abiotycznego. Zmiany klimatu Ziemi są zjawiskiem naturalnym Badania przyczyn i mechanizmów zmian klimatu nie są domeną ekologii. ale Zmiany klimatyczne mogą być istotnym czynnikiem kształtującym procesy ekologiczne wykład 12/35