Ekologia
Ziemia jako kolebka życia
Ziemia jako kolebka życia
• Na Ziemi istniały warunki sprzyjające powstaniu
życia:
– odpowiedni rozmiar
– odpowiednia temperatura
– obecność dużej ilości wody
– obecność pola magnetycznego
– gęsta atmosfera
– krótki obrót dookoła osi
• Życie powstało 3,8-3,6 mld lat temu
– życie jest równoznaczne ze zdolnością do ewolucji, a to
oznacza samodoskonalenie.
• Punktem przełomowym było powstanie sinic (3,5-3,4
mld lat temu) zdolnych do fotosyntezy tlenorodnej.
• Pierwsze około 2 mld lat występowały tylko
Prokariota; w zasadzie tylko poziom troficzny
producentów i destruentów.
Kolonizacja całej Ziemi
• Około 1,6 mld lat temu powstały jednokomórkowe
Eukariota (pierwotniaki, czyli Protista); nieco później
rozród płciowy połączony z rekombinacją
– w endosymbiozie z bakteriami tworzącymi mitochondria i
sinicami tworzącymi chloroplasty
– ruchliwe
– szybko ewoluujące
– reprezentujące wszystkie poziomy troficzne
– niektóre zdolne do tworzenia kolonii; jedne z nich dały
początek Metazoa
• Skolonizowanie lądu możliwe było po
nagromadzeniu tlenu w atmosferze i wytworzeniu
się ochronnej warstwy ozonowej, około 440 mln lat
temu.
– konieczność ochrony przed utratą wody
– dla większych organizmów problem przyciągania
ziemskiego
Ewolucja jest odpowiedzialna
za bioróżnorodność na Ziemi
• Za zmiany odpowiedzialny jest przede wszystkim
dobór naturalny; wybiera on to co najlepsze z
przypadkowej zmienności mutacyjnej.
– Dobór naturalny to nic innego niż fakt, że organizmy o
różnych programach genetycznych produkują średnio
różną liczbę kopii do następnych pokoleń. Te, które były
zdolne do wyprodukowania większej liczby kopii są
liczniej reprezentowane.
– Wniosek: nic nie dzieje się w przyrodzie dla dobra
gatunku, a tylko dla zwiększania liczby kopii genów. Nie
wyklucza to istnienia mechanizmów opartych na
współpracy.
– Wniosek: świat nie został zaprojektowany, lecz tworzy się
sam w oparciu o egoistyczne interesy genów.
• Skład gatunkowy teraz i w przeszłości zależy od
procesów specjacji i wymierania gatunków.
Gatunki są przystosowane do
środowiska, w którym żyją
• Dzięki doborowi naturalnemu powstają adaptacje,
czyli przystosowania; np. gatunek rośliny żyjący w
terenie suchym ma szereg przystosowań do
oszczędnego gospodarowania wodą.
• Nie ma gatunku, który byłby dobrze
przystosowany do wielu środowisk, choć są
gatunki mniej lub bardziej wyspecjalizowane.
– nisze gatunków się różnią
– nisza fundamentalna wynika z przystosowań do
warunków abiotycznych środowiska
Dynamika liczebności
• Tylko gatunki zdolne do rozrodu przewyższającego śmiertelność są w
stanie przetrwać.
• Długotrwały wzrost liczebności jest niemożliwy, gdyż następuje
wyczerpywanie zasobów (dla roślin np. dostęp do światła, woda,
substancje mineralne, dla zwierząt np. pokarm, miejsca na gniazda
itp.).
• Na dynamikę liczebności wpływają też interakcje z innymi gatunkami;
dlatego nisza realizowana jest węższa od fundamentalnej.
• Z punktu widzenia danego gatunku świat jest mozaiką miejsc, gdzie
rozród przewyższa śmiertelność i miejsc, gdzie rozród jest wolniejszy
niż śmiertelność:
– w tych pierwszych miejscach nadmiar osobników; te, którym gorzej się
powiodło i nie mają szans (często młode) emigrują
– choć wiele emigrantów ginie, niektórym udaje się dotrzeć do korzystnych
nie przegęszczonych miejsc, gdzie mogą mieć dużo potomstwa
– dlatego taki powszechny mechanizm regulacji liczebności nie jest
sprzeczny z zasadami ewolucji
– gdyby emigranci wychodzili z populacji by poprawić warunki tym, co
zostają, byłoby to sprzeczne z regułami ewolucji.
Regulacja liczebności
• Liczebność każdego gatunku zmienia się w czasie, ale zwykle
utrzymuje się w stosunkowo wąskim zakresie.
• Jest to możliwe dzięki istnieniu mechanizmów regulacji
liczebności, takich jak opisana poprzednio emigracja lub innych.
• Wszystkie mechanizmy regulacyjne muszą być zgodne z
zasadami ewolucji, czyli wynikać z działania osobników dla
propagacji ich genów, a nie dla przetrwania gatunku.
• Regulacja liczebności może następować wskutek spadku
rozrodczości i (lub) wzrostu śmiertelności z zagęszczeniem
– ze wzrostem zagęszczenia spada ilość zasobów
– czasem rośnie stężenie szkodliwych produktów przemiany materii
– może braknąć miejsca lub innych zasobów
– itd.
• Wyników uzyskanych dla populacji zamkniętych (bez możliwości
emigracji) nie można uogólniać na populacje otwarte.
Prawa i reguły dotyczące układów
ponadgatunkowych wynikają z
właściwości osobników
• Procesy ewolucyjne (wymieranie gatunków i specjacja;
przystosowywanie się gatunków do warunków
środowiskowych w tym wytwarzanie zdolności do
rozprzestrzeniania się) wytwarzają pulę gatunków.
• Gatunki mogą zajmować nisze ekologiczne zgodne z ich
przystosowaniami, pod warunkiem, że tam dotrą.
• Ograniczenie możliwości kolonizowania powoduje, że często
na różnych kontynentach różne gatunki zajmują te same
lub bardzo podobne nisze ekologiczne. Dlatego biomy to
coś innego niż krainy biogeograficzne.
• Biomy wynikają z czynników klimatycznych, dlatego są
przewidywalne; krainy biogeograficzne dodatkowo z historii,
dlatego są nieprzewidywalne.
Organizmy zmieniają
środowisko...
• Środowisko nieożywione Ziemi wyglądałaby inaczej bez
organizmów
– brak tlenu w atmosferze i brak powłoki ozonowej
– brak gleby, byłby tylko pył
– brak typowych skał wapiennych
– brak ropy naftowej
– niższe parowanie na lądach
– inne byłyby cykle biogeochemiczne pierwiastków
– itd.
... i są od środowiska zależne
• Ta dwustronna zależność powoduje nieustanne zmiany
ewolucyjne organizmów, co w efekcie prowadzi do:
– bogactwa gatunków, redundacji biocenoz
– bogactwa ekosystemów
– względnej równowagi w ekosystemach w stosunkowo krótkiej
skali czasu
– zmian eksosytemów w geologicznej skali czasu
– pełnienia tych samych funkcji ekologicznych przez bardzo
różne organizmy w różnych erach geologicznych
– itd.
• Wszystko to wynika z ewolucyjnego prawa maksymalizacji
liczby kopii genów przekazywanych do następnych pokoleń,
a nie dzieje się dla dobra biocenoz czy ekosystemów.
• Prawa dotyczące tych jednostek wynikają zatem z praw
rządzących ewolucją, choć dopiero uczymy się, jak te
pierwsze wyprowadzać z tych drugich.
Organizmy są strukturami
dyssypatywnymi wyposażonymi w
program genetyczny
• Złożone struktury takie jak organizmy mogą trwać tylko dzięki
rozpraszaniu ogromnej ilości energii (zwanej metabolizmem,
kosztami utrzymania, respiracją).
• Dzięki posiadaniu programu genetycznego determinującego
funkcjonowanie organizmów poprawia się z pokolenia na pokolenie
przystosowanie organizmów do środowiska.
• Jest to proces bez końca, bo zmienia się też ciągle środowisko.
• Program genetyczny jest przekazywany „w opakowaniu”, takim jak
jajo czy nowo urodzony osobnik.
• Zatem zwyciężają w konkurencji te programy genetyczne, które
powodują produkcję maksymalnej liczby potomstwa w ciągu życia
(to jest w rzeczywistości trochę bardziej złożone).
• Dlatego badanie produkcji i jej podziału na wzrost i rozród jest
takie ważne.
• W zależności od warunków produkcji potomstwa może być
maksymalizowana przy niskich lub wysokich kosztach utrzymania.
Związki organiczne to związki
węgla
• Dlatego najważniejszy jest cykl utleniania i redukcji węgla.
– redukcja przez autotrofy (przerabianie dwutlenku węgla na
związki organiczne)
– utlenianie przez heterotrofy i autotrofy (zużywanie związków
organicznych na koszty utrzymania).
• Masowość procesów w cyklu biogeochemicznym węgla jest
powodowana przez organizmy.
• Procesy utleniania i redukcji węgla nie są zrównoważone w
średniej skali czasu
– gdy organiczne związki węgla są akumulowane zmniejsza się
zawartość dwutlenku węgla w atmosferze i obniża temperatura
– do niedawna mieliśmy do czynienia z lekką akumulacją
organicznych związków węgla
– obecnie spalanie paliw kopalnych (także naturalne procesy?)
odwróciło tę tendencję.
Człowiek jest wyjątkowym
gatunkiem
• Homo sapiens osiągnął duży sukces ewolucyjny:
– Liczne jak na ten rozmiar ciała populacje
– Opanowanie większości środowisk
• Człowiek może w znaczny sposób wpływać na cykl geochemiczny węgla,
skład gatunkowy biocenoz i wiele innych procesów i zjawisk.
• Wpływ człowieka jest w chwili obecnej dewastujący, ale człowiek jest
jedynym gatunkiem zdolnym do refleksji nad swym wpływem i do
zmiany postępowania.
• Mamy nadzieję, że uda się na czas wprowadzić zasadę zrównoważonego
rozwoju.
• Warunkiem jest zahamowanie eksplozji demograficznej.
• Warunkiem zahamowania eksplozji demograficznej jest wzrost edukacji.
• Zrównoważony rozwój to także dbałość o zachowanie bioróżnorodności.
• Większość ludzi będzie mieszkać w miastach. Należy dbać by warunki w
nich występujące były znośne, a miasta nie miały szkodliwego wpływu
na otoczenie.