EKOLOGIA dla BIOTECHNOLOGII Wykład 2
POWSTANIE śycia (BIOGENEZA)
January Weiner: HIPOTEZY O POWSTANIU I WCZESNEJ EWOLUCJI śycia HISTORIA DOCIEKAŃ (OD DARWINA DO MILLERA) http://kosmos.icm.edu.pl/
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)
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
Źródła hydrotermalne ekosystemy chemoautotroficzne
Lost city Chłodne źródła hydrotermalne (węglanowe)
ŚWIAT RNA? LUCA? BIOGENEZA I WCZESNA EWOLUCJA śycia Last Universal Common Ancestor Last Universal Cellular Ancestor
DRZEWO FILOGENETYCZNE GŁÓWNE TAKSONY LUCA?
Termofile
HISTORIA śycia NA ZIEMI
Historia Ziemi
MIKROORGANIZMY PREKAMBRYJSKIE (-770 : -1500 mln lat) Schopf 2002
Banded Iron Formation
Stromatolity Współczesne (Bahama) Kopalne (Kanada)
Stromatolity współczesne
śycie jako właściwość planety 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)
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)
Reakcja redoks 2H 2 = 4H + + 4e - O 2 + 4e - = 20 2-2H 2 + O 2 = 2H 2 0 H = donor elektronów, reduktor O = akceptor elektronów, utleniacz
Potencjał REDOX O 2 /H 2 O NO 3 - /N 2 - NO 3 - /NH 4 + (CH 2 O)/CH 4 SO 4 2- /SH - S/SH CO 2 /(CH 2 O)
ODDYCHANIE
Metabolizm chemoautotrofów
Fotosynteza
Widmo promieniowania słonecznego
Widma chlorofilu i bakteriorodopsyny
Solanki na płw. Paraguana, Wenezuela
PRODUKCJA PIERWOTNA BIOSFERY
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)
MIARY STANU I TEMPA PRODUKCJI BIOMASY 1. Stan: g (kg) biomasy / m 2 [ha, km 2 ] 2. Produkcja: g [kg] biomasy / (m 2 [ha km 2 ] rok [doba, godz] PRZELICZENIA JEDNOSTEK 1 g s.m. ~ 5 g biomasy = 4.1 kcal = 17.2 kj 1 g węgla = 2.4 g s.m. (bo: C 6 H 12 O 6...) 1 kcal = 0.249 J 1 g C = ok.. 10 kcal 1 J/sec = 1W = 86.4 kj/dobę
POŚREDNIE METODY POMIARU Pp ZaleŜności morfometryczne drzew Produkcja liści i gałęzi (g s.m./rok) Masa korzeni (g s.m.) Pierśnica (cm) Masa nadziemna (g s.m.)
Produkcja pierwotna nadziemna [g/(m 2.rok)] Biomasa liści (g/m 2 )
POŚREDNIE METODY POMIARU PRODUKCJI PIERWOTNEJ: Stosunek reflektancji (near IR)/R LAI = Leaf Area index LAI
Zasada pomiaru NDVI NDVI = (IR-R)/(IR+R)
ZASADA ZDALNEGO POMIARU NDVI
NDVI = (IR-R)/(IR+R)
Produktywność Oceanów Z danych satel. SeaWiFS Science, czerw. 2002
Główne ograniczenie Pp: WODA
SZTUCZNE NAWODNIENIE PUSTYNI
Nawadniane pola, Kansas (USA). NASA
Tabela wybranych wartości Pp na lądach Lasy równikowe Lasy umiarkow. Tajga Sawanna, Stepy itp. Inne Razem lądy g /(m 2.rok) 1600-2200 600-2500 800 600-900 10-6000 10 9 t/rok 49.4 14.9 9.6 24.9 18.7 117.5
Tabela wybranych wartości Pp w morzach Otwarty ocean Upwellingi Szelfy kontynentalne Rafy koralowe Estuaria Razem morza g /(m 2.rok) 2-400 400-1000 200-600 500-4000 200-400 10 9 t/rok 41.5 0.2 9.6 1.6 2.1 55.0
Mapa produktywności lądów
Mapa produktywności oceanów
Mapa produktywności
BILANS ENERGETYCZNY BIOSFERY CAŁKOWITA PRODUKCJA OCEANÓW: 20-23 10 9 ton C/ rok = 50-55 10 9 ton s.m. / rok = 1 10 21 J / rok = 32 10 6 MW CAŁKOWITA PRODUKCJA LĄDÓW: 100 10 9 ton s.m. / rok = 1.8 10 21 J / rok = 57 10 6 MW RAZEM BIOSFERA: 2.8 10 21 J / rok = 89 10 6 MW (inne źródła: 128 10 6 MW) ENERGIA ZE SŁOŃCA (PhAR): 80.0 10 9 MW Pp = 0.1... % PhAR
Tempo zuŝycia energii, W Metabolizm maksymalny Maks. asymilacja energii z pokarmu Metabolizm minimalny Człowiek: w spoczynku 70-80 W przy pracy 350-600 W ZuŜycie energii przez człowieka ( ) na tle fizjologicznego zapotrzebowania na energię ( ) u ssaków (wg Weiner 1989)
7 6 5 4 3 2 1 0 ZuŜycie energii na głowę (średnie dla regionów) Świat OECD Śr. Wschód Były ZSRR Eur. Nie-OECD Chiny Azja Am. Łac. Afryka Polska Regiony kw
WZROST CAŁKOWITEJ PODAśY ENERGII NA ŚWIECIE 2003: 10579 Mtoe = 14 000 GW
PRZEWIDYWANY WZROST PODAśY ENERGII NA ŚWIECIE (DO 2030 WZROST O OK. 60%) 16145 GW 21836 GW
Udział róŝnych źródeł energii w Polsce Łączna podaŝ: 3516 PJ/rok (2003); 111,5 GW = ok. 3 kw/głowę 11% 2% 0% 21% 51% Węgiel kamienny Węgiel brunatny Ropa itd. Gaz wysokometan Gaz zaaztotowany elektr. Wodne 15%
tzw. ENERGETYCZNE ZASOBY ODNAWIALNE Biomasa Opał, biogaz, etanol, biodiesel itd. Energia wiatru Energia rzek i pływów Energia słoneczna Panele cieplne, ogniwa fotowoltaiczne Energia geotermalna
OCENA MAKSYMALNEJ PODAśY ENERGII Z BIOPALIW (dane z: J. Kuś, 2002 i GUS) uprawa max. plon t/ha Wart. energ. jedn. plon GJ/ha ile max ha? max prod. TJ/rok moc GW Słoma (6-7 mln t) 15 MJ/kg 105000 3,33 Wierzba 19 13 MJ/kg 247 1000000 247000 7,83 Inne rośl. 30 13 MJ/kg 390 200000 78000 2,47 Rzepak (MER) 1,02 41,87 MJ/kg 13,26 1000000 13260 0,42 Etanol l/ha Połowa obecnego areału tych upraw pszenica 1400 21,17 MJ/l 29,638 1000000 29638 0,94 Ŝyto 800 21,17 MJ/l 16,936 750000 12702 0,40 kukurydza 2500 21,17 MJ/l 52,925 200000 10585 0,34 ziemniak 2000 21,17 MJ/l 42,34 400000 16936 0,54 buraki cukr. 3700 21,17 MJ/l 78,329 150000 11749 0,37 Suma 524870 16,64 Suma podaŝy en. 2003 Maksymalny % udziału biopaliw 3515984 14,9 111,49 14,9
Energia z biomasy w warunkach Polski: Pełne pokrycie (en. brutto!) - około 1 ha na osobę; Obecnie areał ziemi ornej wynosi 12 mln ha. Gdyby cały areał ziemi ornej przeznaczyć na cele energetyczne pokryłoby to niespełna 1/3 zapotrzebowania energetycznego kraju
BIEśĄCE KOSZTY ENERGETYCZNE PRODUKCJI ENERGII (ZWYKLE POMIJANE;Pimentel et al..) Hydroelektrownie 1:24 Biomasa 1:7 Energia z wiatru 1:5 Energia fotowoltaiczna 1:3 Biogaz 1:2 Energia geotermalna 1:48 Węgiel 1:8 Energia jądrowa 1:5 Gaz ziemny 1:8 Etanol 2:1 Biodiesel 2:1
PRODUKCJA PIERWOTNA BIOSFERY A CYWILIZACJA ŚREDNIE ZUśYCIE 2 kw /1 człowieka KRAJE ROZWINIĘTE 10 kw / 1 człowieka Pp BIOSFERY 100 10 6 MW = 100 10 9 kw (100 10 9 ) / 10 = 10 10 9 = 10 miliardów ludzi (cywilizowanych nadmiernie) (100 109)/2 = 50 109 = 50 miliardów ludzi (cywilizowanych średnio...)
FRAKCJA PRODUKCJI PIERWOTNEJ BIOSFERY PRZEJMOWANA PRZEZ CYWILIZACJĘ 10 55% TNPP (4 18% NPP) Pg C
HYDROELEKTROWNIE Hoover Dam Colorado USA
=311 GW HYDROELEKTROWNIE
ZAINSTALOWANA MOC ELEKTROWNI WIATROWYCH 2003, ŚWIAT: 39294 MW
ELEKTROWNIA WIATROWA O MOCY 2 3 MW
średnica rotora 100 m ELEKTROWNIA WIATROWA O MOCY 2 3 MW
średnica rotora 100 m ELEKTROWNIA WIATROWA O MOCY 2 3 MW 82 m
średnica rotora 100 m ELEKTROWNIA WIATROWA O MOCY 2 3 MW 82 m
Zainstalowana moc ogniw fotowoltaicznych Spadek ceny: 1975 - $75/Watt; 2003 - $3/Watt
MITOLOGIA ZIELONYCH PŁUC