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 1 maj 9 wrzesień 14 wrzesień 25 wrzesień 2 październik 9 październik 1 listopad 12 listopad 15 listopad prawybuch big bang około 15 mld lat temu powstanie Galaktyki (Drogi Mlecznej) początki systemu słonecznego formowanie się Ziemi początki Ŝycia na Ziemi powstanie najstarszych znanych na Ziemi skał najstarsze skamieliny bakterii i sinic wynalezienie płci u mikroorganizmów najstarsze skamieliny roślin wykorzystujących proces fotosyntezy 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 17 grudnia 18 grudnia 19 grudnia 20 grudnia 21 grudnia 22 grudnia 23 grudnia 24 grudnia 26 grudnia 27 grudnia 28 grudnia 29 grudnia 30 grudnia 31 grudnia powstawanie tlenu w atmosferze ziemskiej rozkwit bezkręgowców pierwszy plankton w oceanach pierwsze ryby i kręgowce początek kolonizacji lądu przez rośliny pierwsze owady i zwierzęta lądowe pierwsze płazy i uskrzydlone owady pierwsze drzewa i gady dinozaury pierwsze ssaki pierwsze ptaki pierwsze kwiaty, wyginięcie dinozaurów pierwsze naczelne początki ewolucji płatów czołowych mózgu naczelnych pierwsze istoty człekokształtne 4
23 46 kolonizacja Australii przez ludzi 2.04. Ewolucja biologiczna Ziemi gatunek ludzki ~13 30 ~22 30 pojawienie się prawdopodobnych przodków ludzi i małp pierwsi ludzie 23 00 rozpowszechnienie się narzędzi z kamienia opanowanie ognia przez człowieka pekińskiego 23 59-40 s - 25 s - 10 s - 9 s - 8 s - 7 s - 6 s - 4 s - 3 s - 1 s 0 s 23 58 malowidła jaskiniowe w Europie wynalezienie rolnictwa pierwsze miasta panowanie pierwszych dynastii sumeryjskich i egipskich, początki astronomii wynalezienie alfabetu kodeks Hammurabiego okres brązu, wojny trojańskie, wynalezienie kompasu okres Ŝelaza, załoŝenie Kartaginy przez Fenicjan geometria Euklidesa, fizyka Archimedesa i astronomia Ptolemeusza wynalazek zera i liczb dziesiętnych w Indiach, upadek Rzymu Renesans w Europie, początki metod doświadczalnych w nauce 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 zrozumieć czym jest i jak funkcjonuje ekosfera? EKOSFERA BIOLOGICZNA PRZESTRZEŃ śyciowa CZŁOWIEKA WĘGIEL PIERWIASTKI śycia 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 BIAŁKO POWIETRZE ROŚLINY ZWIERZĘTA A Z O T A Z O T A N Y ODPAD ORGANICZNY SYSTEM KORZENIOWY ROŚLIN BIOLOGICZNE ENERGIA PROCESY UTLENIANIA BAKTERIE I GLONY AZOT MIKRO- ORGANIZMY AZOT BAKTERIE GNILNE WODA TLEN HUMUS AZOTANY WODNY ROZTWÓR AZOTANÓW GLEBA HUMUS 7
2.07. Uproszczony schemat ziemskiego ekosystemu PROMIENIOWANIE SŁONIECZNE ULTRAFIOLET OZONOSFERA DODATNI EFEKT TERMICZNY O 2 CO 2 H 2 O (CIEPŁO) ROŚLINY ZIELONE POKARM ZWIERZĘTA ROŚLINOśERNE ODPAD ORGANICZNY HUMUS 8
2.08. Biocykle ekosystem wodny TLEN ŚWIATŁO e n e r g i a e n e r g i a GLONY p o k a r m AZOTANY fotosynteza BAKTERIE GNILNE ł a ń c u c h t r o f i c z n y PLANKTON RYBY ODPADY ORGANICZNE Tempo przemian metabolicznych tempo w jakim organizm zuŝywa pokarm, tlen czy produkuje odpady jest odwrotnie proporcjonalne do wielkości tego organizmu Np. jeśli dla ryb przyjmiemy jako równe 1, to dla glonów wynosi ono 100, a dla bakterii gnilnych jest 10 000 Podobnie porównać moŝna cykl reprodukcji: dla ryb kilka miesięcy dla glonów- kilka dni dla bakterii kilka godzin 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 powstaćŝadna 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 eksploatacjęśrodowiska 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