Ekologia ogólna dla biotechnologii itd. Wykład 1
Sprawy organizacyjne Wykładowcy: Prof. dr hab. Ryszard Laskowski Prof. dr hab. January Weiner Instytut Nauk o Środowisku Czas i miejsce: poniedziałki, godz. 13.15 14.45, Gronostajowa 7, sala D106 Materiały pomocnicze do wykładów: http://www.eko.uj.edu.pl/weiner http://www.eko.uj.edu.pl/laskowski
FORMA ZAJĘĆ Wykłady (15 godzin) Konwersatoria (15 godzin) KaŜde spotkanie: 1 godz. wykładu, 1 godz. konwersatorium Obecność na konwersatorium obowiązkowa
CEL KURSU Informacja nt. podstawowych zagadnień ekologii jako nauki biologicznej, o waŝnych implikacjach praktycznych Zaspokojenie ciekawości zainteresowanych uczestników kursu Szczegółowy program moŝe być negocjowany
PRZYBLIśONY HARMONOGRAM 1 28.02 JW Wstęp domena ekologii warunki Ŝycia na Ziemi 2 07.03 JW Biogeneza strategie metaboliczne produkcja pierwotna 3 14.03 RL Dekompozycja 4 21.03 JW Biogeochemia 5 28.03 RL Klimat biomy gleby 6 04.04 RL Sukcesja, hipoteza Gai 7 11.04 JW Ekosystemy (teoria) 8 18.04 JW Ekosystemy (przykłady) -- 25.04 WIELKANOC -- 02.05 Międzyświęcie 9 9.05 JW BioróŜnorodność 10 16.05 JW Ekologia zespołów 11 23.05 RL Biogeografia wysp 12 30.05 RL Populacja 13 6.06 RL Populacja 14 13.06 JW Ekologia fizjologiczna
Podręcznik zalecany J. Weiner, "śycie i ewolucja biosfery", WYDANIE II PWN (2003)
Inne podręczniki A. Mackenzie, A.S. Ball, S.R.Virdee, Ekologia (krótkie wykłady), PWN, 2000
Inne podręczniki C. J. Krebs. Ekologia, PWN, 1996 (wybrane zagadnienia)
Lektura pomocnicza Lektury nieobowiązkowe dla zainteresowanych nowoczesną ekologią będą wskazywane w toku kursu.
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
Pytania i postulaty studentów? Tryb kursu? Zakres? Podręczniki? Terminy? Zasady zaliczania i egzamin? Inne?
ZAŁOśENIA PODSTAWOWE KURSU EKOLOGII
Tort Oduma
EKOLOGIA JEST JEDNYM Z PROGRAMÓW BADAWCZYCH BIOLOGII?
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...
ZASTOSOWANIA EKOLOGII GOSPODARKA ZASOBAMI NATURALNYMI OCHRONA PRZYRODY OCHRONA ŚRODOWISKA
ekologia = PWN 2004
ZASTOSOWANIA A NAUKA PODSTAWOWA OCIEPLENIE GLOBALNE ZANIECZYSZCZENIE ŚRODOWISKA ODNAWIALNOŚĆ ZASOBÓW WYMIERANIE GATUNKÓW BILANS WĘGLA W BIOSFERZE DEKOMPOZYCJA, ADAPTACJA REGULACJA LICZEBNOŚCI, STABILNOŚĆ EKOSYSTEMÓW
Lektury pomocnicze nt. metodologii i pragmatyki nauk (science)
METODOLGIA I PRAGMATYKA NAUK PRZYRODNICZYCH MOCNE WNIOSKOWANIE (hipotetyczno-dedukcyjne) SFORMALIZOWANE MODELE RYGOR TESTOWANIA HIPOTEZ HIERARCHIA: HIPOTEZA-TEORIA- PARADYGMAT PUBLIKACJA RECENZOWANA OTWARTA KRYTYKA
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
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)
PROBLEM RÓśNORODNOŚCI BIOLOGICZNEJ 1. Ile jest gatunków? 2. Zasięgi gatunków? 3. Tendencje do zmian liczebności? pomiary liczebności modele dynamiki liczebności
PROBLEM RÓśNORODNOŚCI BIOLOGICZNEJ 4. Mechanizmy zmian? Hipotezy alternatywne, np.: zmiany w środowisku? pomiar parametrów środowiska pomiar wraŝliwości organizmów modele teoretycznie weryfikacja konkurencja o zasoby?
PROBLEM RÓśNORODNOŚCI BIOLOGICZNEJ 4. Mechanizmy zmian? Hipotezy alternatywne, np.: zmiany w środowisku? konkurencja o zasoby? pomiar obfitości zasobów pomiar zapotrzebowania organizmów modele teoretyczne weryfikacja... 5. Przewidywania (praktyka ochrony przyrody)
OCHRONA ŚRODOWISKA CZŁOWIEKA GOSP0DARKA ZASOBAMI DLA CZŁOWIEKA OCHRONA PRZYRODY PRZED CZŁOWIEKIEM (DLA CZŁOWIEKA)
śycie BIOSFERY
śycie jako właściwość planety śycie to endoenergetyczny proces, polegający na cyklicznym utlenianiu i redukowaniu związków węgla, realizowany przez autokatalitycznie powielające się makrocząsteczki (organizmy).
Mars
Ziemia
śycie na Ziemi widać z daleka
Literatura popularnonaukowa
1997 1998
2002 1999
Planety Układu Słonecznego
KsięŜyce Jowisza Io Europa Ganimedes Callisto
1. Skorupa ziemska: 10-40 km 2. Płaszcz: 2900 km 3 + 4. Jądro 3470 km -272.. o C 3700 o C
Energia geotermalna
Wg. Winogradowa, 1960 Energia cieplna wytwarzana w głębi Ziemi wskutek rozpadu pierwiastków radioaktywnych
TW 0 180 9 1508 7 1206 5 90 4 235 U Wg. Winogradowa, 1960 Razem Energia cieplna wytwarzana w płaszczu Ziemi wskutek rozpadu pierwiastków radioaktywnych napędza procesy tektoniczne 60 3 40 K 2 30 1 232 Th 238 U TW = 10 12 W 1 2 3 4 5 Miliardy lat wg. Winogradowa, 1960, zmienione
Późny karbon 329-296 mln lat
Koniec permu 269-248 mln lat
Kreda/Trzeciorzęd 81-58 mln lat
Energia promieniowania słonecznego
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
Skąd się biorą pory roku? www.... geography for kids?
Spektrum promieniowania słonecznego Stała słoneczna: 1360 W/m 2
DŁUGOFALOWE ZMIANY BILANSU CIEPLNEGO ZIEMI ZMIANY KLIMATU Hipoteza Milankovica
ZMIANY MIMOŚRODU ORBITY Okres ok. 96 000 lat Aphelium Peryhelium Mimośród orbity (A-P)/(P+A) Minimum 0,005 Odległość od Słońca [mln km] Peryhelium 148,9 Aphelium 150,4 Obecnie 0,0167 147,2 152,2 Maksimum 0,0167 140,4 158,9
ZMIANY NACHYLENIA OSI ZIEMI DO PŁASZCZYZNY EKLIPTYKI Okres ok. 41 000 lat Maksymalne nachylenie Obecnie Minimalne nachylenie
PRECESJA Okres ok. 22 000 lat 11 000 lat temu Obecnie
Zmiany klimatu w fanerozoiku CIEPŁO ZIMNO Okresy zlodowaceń Miliony lat temu Wiki
65 milionów lat zmian klimatu Wiki
5 milionów lat zmian klimatu
Cykl plam słonecznych
Dobowa pow. plam słonecznych uśredniona na poszczególne obroty Słońca
Atmosfera Ziemi
Profil termiczny Atmosfery Ziemi
Nasłonecznienie kwh m -2 doba -1
Odbite promieniowanie krótkofalowe (W/m 2 ) Bilans promieniowania Ziemi efekt cieplarniany Promieniowanie długofalowe Ziemi (W/m 2 )
Cyrkulacja atmosferyczna
Obieg wody, tys. km 3 /rok ATMOSFERA 14 lodowce 62 108 46 410 456 gleba 65 jeziora 46 rzeki 1,2 wody podziemne 60000 OCEAN 1380000
Sezonowość opadów atmosferycznych SEAWIFS
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
http://earthobservatory.nasa.gov Warto zaprenumerować!
Historia Ziemi
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)
Skład chemiczny organizmów DNA,RNA, ATP Węglowodany Tłuszcze Białka Woda Związki chemiczne 2.7 1.5 0.9 1.2 3.7 P N O H C 0 0 5.1 3.0 1.3 O H C 20.2 3.5 0.4 0.4 2.5 O H C 20.1 12 3.6 1.4 17.5 S N O H C 57 83 90 94 75 O H świnia ryba grzyb Roślina Bakteria Zawartość w organizmach Pierwiastki
H C O N S (CH 2 O) n Obfitość pierwiastków we wszechświecie P
SUBSTRATY śycia Budowa biomasy DONOR ELEKTRONóW (REDUKTOR LUB SUBSTRAT ENERGETYCZNY) (CH O), H, NH, H S 2 2 3 AKCEPTOR ELEKTRONóW (UTLENIACZ) - -- O,NO,SO,CO 2 3 4 2 2 Energia (praca)
POWSTANIE śycia (BIOGENEZA)
January Weiner: HIPOTEZY O POWSTANIU I WCZESNEJ EWOLUCJI śycia HISTORIA DOCIEKAŃ (OD DARWINA DO MILLERA) http://kosmos.icm.edu.pl/
Aleksander Iwanowicz Oparin i Salvadore Dali (Barcelona, 1973)
Eksperyment Millera
Wynik eksperymentu Millera
BAZA EMPIRYCZNA TEORII BIOENEZY Dane geologiczne (geochemiczne) Dane paleontologiczne Badania astrobiologiczne Badania porównawcze współczesnych organizmów Eksperymenty laboratoryjne
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
Źródło hydrotermalne
Gorące źródła hydrotermalne ekosystemy chemoautotroficzne (siarkowe)
Lost city Chłodne źródła hydrotermalne (węglanowe)
ŚWIAT RNA? LUCA? BIOGENEZA I WCZESNA EWOLUCJA śycia Last Universal Common Ancestor Last Universal Cellular Ancestor
DRZEWO FILOGENETY CZNE GŁÓWNE TAKSONY LUCA?
Banded Iron Formation
Stromatolity Współczesne (Bahama) Kopalne (Kanada)
Stromatolity współczesne
śycie to endoenergetyczny proces, polegający na cyklicznym utlenianiu i redukowaniu związków węgla, realizowany przez autokatalitycznie powielające się makrocząsteczki (organizmy).
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)