Ekologia ogólna dla biotechnologii itd. Wykład 1

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
2
3
4
5
6
7
8
--9
10
11
12
13
14
28.02
07.03
14.03
21.03
28.03
04.04
11.04
18.04
25.04
02.05
9.05
16.05
23.05
30.05
6.06
13.06
JW
JW
RL
JW
RL
RL
JW
JW
JW
JW
RL
RL
RL
JW
Wstęp – domena ekologii – warunki Ŝycia na Ziemi
Biogeneza – strategie metaboliczne – produkcja pierwotna
Dekompozycja
Biogeochemia
Klimat – biomy – gleby
Sukcesja, hipoteza Gai
Ekosystemy (teoria)
Ekosystemy (przykłady)
WIELKANOC
„Międzyświęcie”
BioróŜnorodność
Ekologia zespołów
Biogeografia wysp
Populacja
Populacja
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-TEORIAPARADYGMAT
• 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
1999
2002
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.. oC
3700 oC
Energia geotermalna
Wg. Winogradowa, 1960
Energia cieplna
wytwarzana w głębi
Ziemi wskutek
rozpadu pierwiastków
radioaktywnych
TW 10
180
Energia cieplna
Wg. Winogradowa, 1960
wytwarzana w
płaszczu Ziemi
wskutek rozpadu
pierwiastków
radioaktywnych
napędza procesy
tektoniczne
9
1508
7
Razem
1206
90
5
4
235
U
60 3
40
K
2
30
238
U
1
232
1
TW = 1012 W
Th
2
3
4
Miliardy lat
5
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
słoneczna (poza Ziemią): 1360 W/m2
• Średnio na powierzchnię kuli: 1/4
• Odbicie od atmosfery: ok. 1/3
• Pochłanianie atmosferyczne: ok. 1/3
• Średnio na powierzchni Ziemi: ok. 113 W/m2
• Rozkład nierównomierny
• Stała
Skąd się biorą pory roku?
www. .....
geography for kids?
Spektrum promieniowania słonecznego
Stała słoneczna: 1360 W/m2
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)
Odległość od Słońca [mln
km]
Peryhelium
Aphelium
Minimum
0,005
148,9
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/m2)
Bilans
promieniowania
Ziemi – efekt
cieplarniany
Promieniowanie
długofalowe
Ziemi
(W/m2)
Cyrkulacja
atmosferyczna
Obieg wody, tys. km3/rok
ATMOSFERA 14
lodowce
62
gleba
65
jeziora
108
46
rzeki 1,2
wody podziemne
60000
46
410
456
OCEAN 1380000
Sezonowość opadów atmosferycznych
SEAWIFS
Erupcja Pinatubo
Filipiny, 1991
• pyły i gazy sięgnęły stratosfery
• 15 mln ton SO2 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
Związki
chemiczne
Pierwiastki
H O
C H O N
Woda
S
Białka
Zawartość w organizmach
Bakteria Roślina
75
94
grzyb
ryba
świnia
90
83
57
17.5 1.4 3.6 12
20.1
20.2
C H O
Tłuszcze
2.5
0.4 0.4 3.5
C H O
Węglowodany
1.3
3.0 5.1
DNA,RNA,
ATP
3.7
1.2 0.9 1.5
C H O N P
0
0
2.7
H
(CH2O)n
O
C
N
S
P
Obfitość
pierwiastków
we
wszechświecie
SUBSTRATY śYCIA
Budowa
biomasy
DONOR ELEKTRONóW
(REDUKTOR
LUB SUBSTRAT
ENERGETYCZNY)
(CH2O) , H2, NH3, H2S
AKCEPTOR
ELEKTRONóW
(UTLENIACZ)
-O2,NO3,SO4,CO2
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)
BIOGENEZA
I
WCZESNA
EWOLUCJA
śYCIA
LUCA?
ŚWIAT RNA?
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
CO2
energia
UTLENIANIE
organizmy: szybko
procesy abiotyczne:
powoli
REDUKCJA
tylko Ŝywe
organizmy
(CH2O) n
DEPOZYCJA
(złoŜa paliw)