BIOGEOCHEMIA dla Ochrony Środowiska Ch-OLo216-08 dla Studiów Biologiczno-Geograficznych WBNZ-407 Prowadzący: prof. dr hab. January Weiner dr Anna RoŜen prof. dr hab. Katarzyna Turnau ze wsp. Instytut Nauk o Środowisku UJ, wydz. BiNoZ strona kursu: www.eko.uj.edu.pl/weiner
CZAS I MIEJSCE: ŚRODY wykład: (wszyscy) godz. 10.30-11.15, Sala P 1.1. konwersatorium: Biol.-Geo. Grupa I: godz. 9.30-10.15, sala P 1.1. Biol.-Geo. Grupa II: godz. 11.20-12.05, sala P 1.1. Ochr. Śr. Grupa I: godz. 9.35-10.20, sala 049 Ochr. Śr. Grupa II: godz. 11.30 12.15, sala 049 zajęcia terenowe + laboratoryjne: Tylko: Biol.-Geo. termin do ustalenia
ZALICZENIE: Test pisemny w sesji (75%; próg dst = 50% pkt) Aktywność na zajęciach (25%: prezentacja 15%, aktywność 10%) Pozytywnie oceniona prezentacja jest warunkiem zaliczenia kursu Biol.-Geo.: pozytywnie ocenione sprawozdanie z ćwiczeń jest warunkiem zaliczenia kursu
Obowiązuje regulamin Dwa (2) terminy egzaminu: pierwszy (I) i poprawkowy. W razie nieprzystąpienia w I terminie z waŝnych powodów, przywrócić I termin moŝe Dziekan (Dyrektor Instytutu); podpisaną decyzję trzeba przedstawić przed przystąpieniem do egzaminu w II terminie. Innych terminów nie ma.
PROWIZORYCZNY HARMONOGRAM ZAJĘĆ 2011 data Temat wykładu konwersatorium kto 1 2.03 Sprawy organizacyjne; wstęp do biogeochemii (biosfera, metodologia) Sprawy organizacyjne; źródła informacja naukowej JW 2 9.03 Biogeneza; metabolizm biosfery Metodologia naukowa JW 3 16.03 Cykl węgla (Produkcja-dekompozycja) Biogeneza, metabolizm JW 4 23.03 Pierwiastki biogenne: cykl azotu Bilans węgla w biosferze AR 5 30,03 Biogeny: cykl siarki Cykl azotu AR 6 6.04 Biogeny: P, Fe, Ca Cykl siarki AR 7 13.04 Mikroelementy Biogeny AR 8 20.04 Metale cięŝkie Mikroelementy AR 9 27.04 Cykle biogeochemiczne w ekosystemach lądowych Metale cięŝkie AR 10 11 12 13 14 4.05 11.05 18.05 25.05 1.06 Cykle biogeochemiczne w ekosystemach wilgotnych i wodnych Stechiometria ekologiczna Biosfera jako zintegrowany ekosystem Biogeochemia a klimat; zmiany globalne Biosfera zintegrowana, hipoteza Gai Ekosystemy lądowe Ekosystemy wodne Stechiometria Integracja biosfery Bilans węgla a klimat AR JW JW JW JW - ust. Zajęcia terenowe i laboratoryjne (mikroorganizmy) KT 15???? Termin zajęty zajęcia terenowe Ochr. Środ.
Na kaŝdych zajęciach 1) Konwersatorium Prezentacje studentów (1 lub 2), dyskusja 2) Wykład + wskazówki do przygotowania się do następnego konwersatorium; Tematy prelekcji zostaną zaproponowane z odpowiednim wyprzedzeniem
DO ZAJĘĆ PRZYGOTOWUJĄ SIĘ WSZYSCY (NIE TYLKO PRELEGENCI) materiały pomocnicze: http://www.eko.uj.edu.pl/weiner Nazwa uŝytkownika: ******** Hasło: *******
Konwersatorium 9. marca Temat prezentacji: Robert M. Hazen, Matecznik minerałów. Świat Nauki 4, 2010, 62-70. (o powiązaniu świata minerałów z Ŝyciem na Ziemi). Artykuł (pdf) dostępny na stronie kursu. MoŜna wzbogacić uzupełnić poddać krytyce w oparciu o inne, samodzielnie znalezione źródła Temat dodatkowy: Metodologia i pragmatyka nauk przyrodniczych
Samodzielne poszukiwanie źródeł: Biblioteka (ksiąŝki, czasopisma, po polsku i po angielsku) INTERNET: OSTROśNIE! Bazy danych SCOPUS, ISI Web of Science Czasopisma w wolnym dostępie MoŜna korzystać z Wikipedii (!), najlepiej po angielsku Pozostałe źródła internetowe wymagaja starannej weryfikacji!
? Pytania?
ZałoŜenia podstawowe Uniwersytet Jagielloński jest uniwersytetem Biogeochemia = część ekologii Ekologia = biologia Biologia = nauka (science) Nauka: metoda
Uniwersytet WyŜsza Szkoła Zawodowa im. Władysława Jagiełły?? NIE!!! Aktywne dowiadywanie się: Ze źródeł (biblioteka: czasopisma, ksiąŝki, bazy danych) Od rzeczywistości (badania) Od siebie wzajemnie (wykłady, seminaria, pogawędki) Zaliczanie: formalność. Studia są dla ciekawych.
Zagadnienia A. Mechanizmy (jak to się dzieje) Geochemia a biogeochemia śycie jako reakcja redoks B. Cykle biogeochemiczne (co się dzieje) Cykl globalny węgla i tlenu Pierwiastki biogenne (N, P, K, Ca, Mg, Fe i in.) Cykl globalny azotu. Cykl globalny siarki Mikroelementy, metale cięŝkie w biosferze. Cykle biogeochemiczne w wybranych środowiskach Interakcje międzygatunkowe: stechiometria ekologiczna C. Integracja: efekty globalne Biogeochemia biosfery Biogeochemia a klimat
Podręcznik: dedykowanego podręcznika biogeochemii w jęz. polskim brak. J. Weiner, "śycie i ewolucja biosfery", NOWE WYDANIE PWN (2003)
1.2. O metodzie naukowej 2.4. Planeta Ziemia 2.5. Ziemia pod nogami 2.6. Cyrkulacja atmosferyczna i cykl hydrologiczny 3. Biogeneza i historia biosfery 4. Metabolizm biosfery 5. Produkcja pierwotna biosfery 6. Dekompozycja, czyli rozkład biomasy 7. Cykle biogeochemiczne RAZEM OK. 170 str.
W.J.H. Kunicki- Goldfinger. śycie bakterii (wyd. najnowsze) Rozdział 12.
Paul E.A., Clark F.E. Mikrobiologia i biochemia gleb Wyd. UMCS, Lublin 2000
Andrews JE et al.: Wprowadzenie do chemii środowiska Biogeochemia środowisk Ziemi; ogólne zasady, mało biologii
Peter O Neil: Chemia środowiska. PWN, 1997. Monografia, z naciskiem na problemy zanieczyszczeń, mało biologii
DuŜo abiotycznej geochemii, nacisk na ochronę środowiska; rozdział 9: Globalne cykle biogeochemiczne 2007
Craig J.R.. Vaughan D.J. Skinner B.J. Zasoby Ziemi PWN Warszawa 2003
Schneider S.F. Laboratorium Ziemia CIS Warszawa 1998 [zintegrowana biosfera, zmiany globalne]
Literatura popularno-naukowa Postgate J., Granice Ŝycia. CIS 1997 Świat Nauki (miesięcznik)!!! Wiedza i śycie (miesięcznik) Wszechświat (miesięcznik)
KLASYCZNY PODRĘCZNIK EKOLOGII KREBSA (pwn 1998) BIOGEOCHEMII POŚWIĘCA 30 STR. (4% OBJĘTOŚCI)
PODSTAWOWY PODRĘCZNIK EKOLOGII (pwn 2000) BIOGEOCHEMII POŚWIĘCA 8 STR. (2% OBJĘTOŚCI)
PODRĘCZNIKI GEOCHEMII JESZCZE W LATACH 1980/90 IGNOROWAŁY ISTNIENIE śycia NA ZIEMI...
TU JEST WSZYSTKO......OSOBNO
POJĘCIE BIOSFERY SUESS (1875): STATYCZNE, TOPOLOGICZNE (WARSTWA NA POWIERZCHNI GLOBU) VERNADSKIJ (1926): DYNAMICZNE, FUNKCJONALNE (EKOSYSTEM)
DOMENA BIOGEOCHEMII: BIOSFERA Biosfera: ekosystem globalny System dynamiczny (przepływ energii, przemieszczanie mas, praca) Procesy abiotyczne (fizykochemiczne) Procesy biologiczne (ścisła integracja) Chemizm biosfery wpływ organizmów Biosfera: naturalne środowisko człowieka Ekologia: nauka o Ŝyciu biosfery Ochrona środowiska: zastosowanie ekologii
PALEO MIKROBIOLOGIA PALEO KLIMATOLOGIA PALEO OCEANOLOGIA GEOMIKROBIOLOGIA PALEOBIOLOGIA GEOCHEMIA PALEO EKOLOGIA BIOGEOCHEMIA EKOLOGIA GLOBALNA PALEO GEOFIZJOLOGIA EARTH SYSTEM SCIENCE
GEO- MIKRO- BIOLOGIA: JAK MIKROORGANIZMY KSZTAŁTUJĄ PROCESY GEOCHEMICZNE (Newman & Banfield, 2002)
Przykłady geochemicznych procesów mikrobiologicznych w głębi ziemi Science 296, Maj 2002
BIOGEOCHEMIA nauka zajmująca się rozmieszczeniem i przemieszczaniem się pierwiastków chemicznych w biosferze, przy udziale Ŝywych organizmów. wyjaśnia mechanizmy funkcjonowania biosfery w skali globalnej i ekosystemów w skali lokalnej znaczenie: ochrona środowiska, gospodarka zasobami naturalnymi
PREKURSORZY Justus Liebig (1803-1873), chemik ( prawo minimum ) W.I. Wiernadski (1863-1945), geochemik (pojęcie biosfery, 1929) S.N. Winogradski (1856-1953), mikrobiolog (chemosynteza, wiązanie azotu, udział bakterii w krąŝeniu pierwiastków) J. Lovelock i Hipoteza Gai Współczesna ekologia globalna ( geofizjologia )
METODA NAUKOWA
Metoda naukowa Nauki eksperymentalne (przyrodnicze, ścisłe) : hipotetyczne, ale maksymalnie wiarygodne! Obserwacja powtarzalne wzorce Hipotezy wyjaśniające (modele) Testowanie hipotez Hipotezy umocnione Uogólnione hipotezy: teorie Umocniona teoria: paradygmat Testowanie teorii: Program badawczy Zastosowania
Na przykład: kulistość Ziemi Obserwacja: płasko! Wyjaśnienie ad hoc: Ŝółw na 4 słoniach itd. Ale: kolisty horyzont! HIPOTEZA: ograniczony promień widzenia HIPOTEZA ALTERNATYWNA: kula TESTY: Daleki widok okrętów PodróŜ dookoła świata PROGRAM BADAWCZY: Pomiar promienia PARADYGMAT: Ziemia jest kulą PROGRAM BADAWCZY: Dokładny kształt Ziemi
Na przykład: ocieplenie globalne Obserwacja: ociepla się (?) Obserwacja: wzrasta zawartość CO 2 Hipoteza: efekt cieplarniany! Wyjaśnienie ad hoc: człowiek powoduje zmianę klimatu TESTY: w toku Hipotezy umocnione, ogólna teoria, zastosowania praktyczne NIEPRĘDKO!
WYMAGANIA METODOLOGII NAUK: POWTARZALNOŚĆ OBSERWACJI TESTOWALNE HIPOTEZY EKSPERYMENT LUB KONTROLOWANA OBSERWACJA RZECZYWISTOŚĆ BIOGEOCHEMII: TYLKO JEDEN OBIEKT SKALA PRZESTRZENNA OGROMNA SKALA CZASOWA ZJAWISK POZA ZASIĘGIEM BADAŃ RATUNEK: WZORCE POWTARZALNE W CZASIE [PALEO... (...BIOLOGIA...EKOLOGIA...BIOGEOCHEMIA)] WZORCE POWTARZALNE W PRZESTRZENI [GLOBALNE... ZMIANY... PODEJŚCIE BADAWCZE]
Pragmatyka naukowa Konkurs projektów badawczych (recenzje) Konkurs publikacji naukowych (recenzje) Czasopismo naukowe Krytyka naukowa Uogólnianie: monografie, podręczniki Alternatywa nauki: Ekspertyzy na zlecenie (z zadanym wnioskiem) Biuletyn wewnętrzny KsiąŜka nierecenzowana (wydawnictwo garaŝowe) Artykuły w gazetach, komentarze w telewizji
Nauki podstawowe, stosowane i technika: Ekologia (w tym: biogeochemia): Nauka podstawowa o funkcjonowaniu biosfery; nauka stosowana w ochronie środowiska i ochronie przyrody Ochrona środowiska: Praktyka ochrony środowiska człowieka Ochrona przyrody Praktyka ochrony róŝnorodności biologicznej biosfery
śycie na Ziemi widać z daleka
Dynamika biogeochemiczna: praca zasilana energią Dynamika geosfery (tektonika) - energia jądrowa Dynamika hydrosfery (prądy morskie; obieg wody) Dynamika atmosfery Dynamika biosfery - energia termojądrowa (słoneczna)
PRZEKRÓJ ZIEMI 1. Skorupa ziemska: 10-40 km 2. Płaszcz: 2900 km 3 + 4. Jądro 3470 km -272 o C 1. Skorupa 2. Płaszcz 3700 o C 3. Jądro zewnętrzne 4. Jądro wewnętrzne 5. Prądy konwekcyjne
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
Energia geotermalna
Energia geotermalna
Wczesny kambr 544 511 mln lat
Późny karbon 329-296 mln lat
Koniec permu 269-248 mln lat
Kreda/Trzeciorzęd 81-58 mln lat
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
Spektrum promieniowania słonecznego Stała słoneczna: 1360 W/m 2
Energia promieniowania słonecznego
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
ABIOTYCZNA DYNAMIKA PLANETY: CYKLE TEKTONICZNE CYKL HYDROLOGICZNY WYPIĘTRZANIE I EROZJA WULKANIZM I SEDYMENTACJA itd [GŁÓWNIE PRACA MECHANICZNA] [PRZEMIANY CIEPLNE]
CYKL TEKTONICZNO-METAMORFICZNO-SEDYMENTACYJNY SKAŁY MAGMOWE WIETRZENIE I EROZJA OSADY LITYFIKACJA TOPNIENIE WZROST TEMPERATURY SKAŁY OSADOWE SKAŁY METAMORFICZNE REKRYSTALIZACJA WZRASTAJĄCA TEMPERATURA I CIŚNIENIE
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)
Funkcja ekosystemu: cykl redox CO 2 Redukcja (produkcja) Utlenianie (oddychanie) (CH 2 O) n
Fotosynteza podtrzymuje potencjał redoks w biosferze, napędzając obieg wielu pierwiastków ciepło Słońce (CH O) 2 n H S H 2 O NH 3 2 1 2 3 4 CO 2 FOTOSYNTEZA O 2 (CH O) 2 n CO 2 BAKTERIE NITRYFIKUJACE NO 3 - (CH O) 2 n CO 2 SO -- 4 BAKTERIE SULFURYZUJACE
Lektury dodatkowe: energetyka biosfery śieb: rozdz. 2.4., 2.5, 2.6 metodologia nauk śieb: rozdz. 1.2; Wikipedia; A. F. Chalmers, Czym jest to, co zwiemy nauką?. Siedmioróg, 1993 ( fragmenty udostępnione na stronie kursu)
Konwersatorium 9. marca Temat prezentacji: Robert M. Hazen, Matecznik minerałów. Świat Nauki 4, 2010, 62-70. (o powiązaniu świata minerałów z Ŝyciem na Ziemi). Artykuł (pdf) dostępny na stronie kursu. MoŜna wzbogacić uzupełnić poddać krytyce w oparciu o inne, samodzielnie znalezione źródła Temat dodatkowy: Metodologia i pragmatyka nauk przyrodniczych