Ekologia ogólnadla biotechnologii itd.

Wykład 1

Sprawy organizacyjne

Wykładowcy: Prof. dr hab. Ryszard LaskowskiProf. dr hab. January WeinerInstytut Nauk o ŚrodowiskuCzas i miejsce: poniedziałki, godz. 13.15 – 14.45, Gronostajowa 7, sala D106

Materiały pomocnicze do wykładów: http://www.eko.uj.edu.pl/weinerhttp://www.eko.uj.edu.pl/laskowski

Wykłady (15 godzin)• Konwersatoria (15 godzin)• KaŜde spotkanie:

1 godz. wykładu, 1 godz. konwersatorium• Obecność na konwersatorium obowiązkowa

FORMA ZAJĘĆ

CEL KURSU

• Informacja nt. podstawowych zagadnieńekologii jako nauki biologicznej, o waŜnych implikacjach praktycznych

• Zaspokojenie ciekawości zainteresowanych uczestników kursu

• Szczegółowy program moŜe być negocjowany

Ekologia fizjologiczna JW13.0614

PopulacjaRL6.0613

PopulacjaRL30.0512

Biogeografia wyspRL23.0511

Ekologia zespołówJW16.0510

BioróŜnorodnośćJW9.059

„Mi ędzyświęcie”02.05--

WIELKANOC25.04--

Ekosystemy (przykłady) JW18.048

Ekosystemy (teoria)JW11.047

Sukcesja, hipoteza GaiRL04.046

Klimat – biomy – glebyRL28.035

BiogeochemiaJW21.034

DekompozycjaRL14.033

Biogeneza – strategie metaboliczne – produkcja pierwotnaJW07.032

Wstęp – domena ekologii – warunki Ŝycia na ZiemiJW28.021

PRZYBLIśONY HARMONOGRAM

J. Weiner, "śycie i ewolucja biosfery", WYDANIE IIPWN (2003)

Podręcznikzalecany

A. Mackenzie, A.S. Ball, S.R.Virdee, „Ekologia (krótkie wykłady)”, PWN, 2000

Inne podręczniki

C. J. Krebs. „Ekologia”, PWN, 1996 (wybrane zagadnienia)

Inne podręczniki

Lektura pomocnicza

Lektury nieobowiązkowe dla zainteresowanych nowoczesną ekologiąbędą wskazywane w toku kursu.

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

ZALICZENIE

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 róŜnorodnośćbiologiczna?• 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

PWN 2004

ekologia =

ZASTOSOWANIA A NAUKA PODSTAWOWA

• OCIEPLENIE GLOBALNE

• ZANIECZYSZCZENIE ŚRODOWISKA

• ODNAWIALNOŚĆZASOBÓW

• WYMIERANIE GATUNKÓW

• BILANS WĘGLA W BIOSFERZE

• DEKOMPOZYCJA, ADAPTACJA

• REGULACJA LICZEBNOŚCI, STABILNOŚĆEKOSYSTEMÓW

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 bilansu2. 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 - teoria4. 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 ŚRODOWISKACZŁOWIEKA

GOSP0DARKA ZASOBAMIDLA CZŁOWIEKA

OCHRONA PRZYRODYPRZED 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 popularno-naukowa

19971998

2002

1999

Planety Układu Słonecznego

KsięŜyce Jowisza

Io Europa Ganimedes Callisto

1. Skorupa ziemska: 10-40 km2. Płaszcz: 2900 km3 + 4. Jądro 3470 km

3700 oC

-272.. oC

Energia geotermalna

Wg. Winogradowa, 1960 Energia cieplnawytwarzana w głębi Ziemi wskutek rozpadu pierwiastków radioaktywnych

Energia cieplnawytwarzana w płaszczu Ziemi wskutek rozpadu pierwiastków radioaktywnychnapędza procesy tektoniczne

TW = 1012 W

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

1 2 3 4 5

Miliardy lat

Razem

235U

238U

232Th

40 K

Wg. Winogradowa, 1960

30

60

90

120

150

180TW

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

• Stała 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/m 2

• Rozkład nierównomierny

ENERGIA SŁONECZNA

www. .....geography for kids?

Skąd się biorą pory roku?

Spektrum promieniowania słonecznegoStała słoneczna: 1360 W/m2

DŁUGOFALOWE ZMIANY BILANSU CIEPLNEGO ZIEMI

ZMIANY KLIMATU

Hipoteza Milankovica

158,9140,40,0167Maksimum

152,2147,20,0167Obecnie

150,4148,90,005Minimum

ApheliumPeryhelium(A-P)/(P+A)

Odległość od Słońca [mln km]

Mimośród orbity

Aphelium

Peryhelium

Okres ok. 96 000 lat

ZMIANY MIMOŚRODU ORBITY

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

Wiki

Zmiany klimatu w fanerozoiku

Miliony lat temu

Okresy zlodowaceńZIMNO

CIEPŁO

Wiki

65 milionów lat zmian klimatu

5 milionów lat zmian klimatu

Cykl plam słonecznych

Dobowa pow. plam słonecznych uśredniona na poszczególne obroty Słońca

Atmosfera Ziemi

Profil termicznyAtmosferyZiemi

NasłonecznieniekWh ×m-2×doba-1

Odbite promieniowanie krótkofalowe(W/m2)

Promieniowanie długofalowe Ziemi(W/m2)

Bilans promieniowania

Ziemi – efekt cieplarniany

Cyrkulacjaatmosferyczna

Obieg wody, tys. km3/rok

ATMOSFERA 14

46410 456

10862

46

60000

65OCEAN 1380000

lodowce

gleba

jeziora

rzeki 1,2wody podziemne

Sezonowość opadów atmosferycznychSEAWIFS

Erupcja PinatuboFilipiny, 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 (ROZMNA śANIE )

• Działanie doboru naturalnego (EWOLUCJA )

Skład chemiczny organizmów

DNA,RNA,

ATP

Węglo-wodany

Tłuszcze

Białka

Woda

Związkichemiczne

2.71.50.91.23.7PNOHC

005.13.01.3OHC

20.23.50.40.42.5OHC

20.1123.61.417.5SNOHC

5783909475OH

świniarybagrzybRoślinaBakteria

Zawartość w organizmachPierwiastki

Obfitośćpierwiastków

wewszechświecie

H

CO

NS

P

(CH2O)n

SUBSTRATY śYCIA

Budowabiomasy

Energia(praca)

DONOR ELEKTRONóW(REDUKTOR

LUB SUBSTRATENERGETYCZNY)

(CH O) , H , NH , H S222 3

AKCEPTORELEKTRONóW(UTLENIACZ)

O ,NO ,SO ,CO 2 23 4---

POWSTANIE śYCIA(BIOGENEZA)

January Weiner: HIPOTEZY O POWSTANIU I WCZESNEJ EWOLUCJI śYCIAHISTORIA DOCIEKAŃ (OD DARWINA DO MILLERA)

http://kosmos.icm.edu.pl/

Aleksander Iwanowicz Oparini 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)

BIOGENEZAI

WCZESNA EWOLUCJA śYCIA

LUCA?

LastUniversalCommonAncestor

LastUniversalCellularAncestor

ŚWIAT RNA?

DRZEWO FILOGENETY

CZNE

GŁÓWNETAKSONY

LUCA?

BandedIronFormation

Stromatolity

Współczesne (Bahama) Kopalne (Kanada)

Stromatolitywspółczesne

śycie to endoenergetyczny proces, polegający na cyklicznym utlenianiu i redukowaniu związków węgla, realizowany przez autokatalitycznie powielające się makrocząsteczki (organizmy).

śycie biosfery = cykl redoks węgla

CO2

(CH O)2 n

REDUKCJAtylko Ŝyweorganizmy

UTLENIANIEorganizmy: szybkoprocesy abiotyczne: powoli

energiaenergia

DEPOZYCJA(ocean, osady)

DEPOZYCJA(złoŜa paliw)