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.