1 KOSMICZNY ZŁOM EWOLUCJA ZIEMI EKOSYSTEMY, BIOCYKLE 09 10
kosmiczny złom 1 Nadszedł być mo\e ju\ czas, kiedy pojęcie środowiska \ycia człowieka nale\y rozszerzyć - jeśli nie na wszechświat, to przynajmniej na nasz układ słoneczny. Oczywiście przy zało\eniu, \e przez środowisko rozumie się tę część przestrzeni, w której obecność człowieka ujawnia się poprzez skutki jego działań. kosmiczna mapa śmieci Zaśmieciliśmy nie tylko Ziemię, ale i (obiekty o rozmiarach powy\ej 10 cm skala przerysowana) przestrzeń okołoziemską. Świat Nauki marzec 1996 1 kosmiczny złom 2 Od 1957 roku (pierwszy satelita) na orbitę na 1000 obiektów okołoziemską wysłano 20 tys. ton ró\nego sprzętu wysyłanych i materiałów. w kosmos Według ró\nych zródeł wokół Ziemi krą\y od 3 tys. ton (2003) do 4,5 tys. ton (2001). Zaledwie 5 % z nich to nadal funkcjonujące Satelity lub pojazdy kosmiczne. 400 staje się 600 kosmicznym spala się w złomem atmosferze yródła zanieczyszczenia przestrzeni okołoziemskiej nieczynne satelity (wyeksploatowane lub Satelity z ni\szych orbit po nad którymi utracono kontrolę), zakończeniu misji są wprowadzane eksplozje rakiet nośnych, w atmosferę ziemską, gdzie odrzucone silniki napędowe i zbiorniki szybko spadają torem spiralnym, paliwa, spalając się. fragmenty osłon pokrywających pojazdy kosmiczne Satelity z orbity geostacjonarnej (okres obiegu równy okresowi narzędzia zgubione przez kosmonautów, obrotu Ziemi) kierowane są na śruby, sprę\yny, itp. wy\sze orbity, aby zwolnić świadome działania (zniszczenie miejsce na tej najdro\szej orbicie. amerykańskiego satelity w 1986 roku testowanie pocisków międzyorbitalnych) 2 kosmiczny złom 3 15000 kontrola trajektorii ruchu kosmicznego złomu teleskopy i systemy radarowe (około 50 systemów śledzących): 10000 na niskich orbitach (do 2 000 km) mo\na wykrywać obiekty o wielkości powy\ej 10 cm, 5000 na orbicie geostacjonarnej mo\na wykrywać obiekty o wielkości powy\ej 1 m 0 1980 1985 1990 1995 2000 2005 ilość obiektów kontrolowanych przez NORAD 85 % kosmicznych śmieci krą\y na niskich orbitach. Na wysokości 600 km mogą się utrzymywać przez blisko 30 lat, w ciągu których są powoli spychane z orbity i wchodzą w atmosferę. 3 kosmiczny złom 4 okno promu Endeavour uszkodzone przez kosmiczny śmieć (podczas ponad 100 lotów wykonanych przez wahadłowce uszkodzeniu uległo 70 okien) baterie słoneczne stacji MIR Wiedza i Zycie czerwiec 2003 zniszczone podczas kolizji ze statkiem zaopatrzeniowym Progress 4 Świat Nauki marzec 1996 kosmiczny złom 5 fragment stacji kosmicznej MIR, który 23 marca 2001 spadł na pole kukurydzy w stanie Ohio w USA Wiedza i Zycie czerwiec 2003 kosmiczny śmieć, który w pazdzierniku 1999 roku spadł na budynek mieszkalny w Oberhausen w Niemczech Wiedza i Zycie czerwiec 2003 5 kosmiczny złom 6 skutki i zagro\enia utrudnione prowadzenie obserwacji astronomicznych (zakłócenia spowodowane impulsami pochodzącymi m.in. od satelitarnych systemów telekomunikacyjnych kosmiczny elektroniczny smog ) - 1988 rok Kongres Międzynarodowej Unii Astronomicznej (IAU) w Baltimore - postulat wprowadzenia prawa ochrony kosmosu, czyli prawa ograniczającego zaśmiecanie przestworzy i regulowanie ruchu obiektów latających niszczenie warstwy ozonowej przez startujące rakiety wynoszące obiekty na orbitę uszkodzenia mechaniczne satelitów i kadłubów promów kosmicznych realne niebezpieczeństwo kolizji o charakterze reakcji łańcuchowym prawdopodobieństwo uszkodzenia międzynarodowej stacji kosmicznej szacowane (2001 rok) nawet na 10 % w ciągu najbli\szych 10 lat awarie statków i satelitów wyposa\onych w atomowe systemy energetyczne (obecnie krą\y 50 amerykański i rosyjskich statków wyposa\onych w napęd jądrowy) 6 kosmiczny złom 7 przeciwdziałania " automatyczne sondy astronomiczne, " rezygnacja z najbardziej zatłoczonych orbit, " międzynarodowa koordynacja i współpraca (wysyłanie kilku obiektów mających te same zadania do wykonania) " elementy mniejsze od 1 cm pancerze chroniące przed skutkami zderzeń " elementy większe od 10 cm, których trajektorie ruchu są śledzone zmiana kursu obiektów kosmicznych ( w 1991 roku sytuacja taka miała miejsce 2-krotnie w przypadku amerykańskich promów kosmicznych) " elementy o wielkości od 1 do 10 cm laserowa miotła (projekt ORION - dezintegracja laserem) mo\liwość oczyszczenia przestrzeni w ciągu 2 lat, ale międzynarodowa umowa o zakazie u\ywania broni laserowej w przestrzeni kosmicznej Zaśmiecenie kosmosu mo\na porównać do zanieczyszczenia oceanów przez długi czas skutki są niedostrzegalne, ale kiedy się ujawnią bardzo trudno je usunąć. 7 okres ewolucji chemicznej Ziemi 1 styczeń prawybuch big bang około 15 mld lat temu 1 maj powstanie Galaktyki (Drogi Mlecznej) 9 wrzesień początki systemu słonecznego 14 wrzesień formowanie się Ziemi 25 wrzesień początki \ycia na Ziemi 2 pazdziernik powstanie najstarszych znanych na Ziemi skał 9 pazdziernik najstarsze skamieliny bakterii i sinic 1 listopad wynalezienie płci u mikroorganizmów 12 listopad najstarsze skamieliny roślin wykorzystujących proces fotosyntezy 15 listopad rozwój organizmów z wyraznie wyodrębnionym jądrem komórkowym Co spowodowało sprzę\enie dwóch samoodtwarzających się systemów, których wodór energia ewolucja rozpoczęła się prawdopodobnie metan niezale\nie: systemu białkowego i systemu woda kwasów nukleinowych? amoniak Jak powstał biopolimer czyli kompleks kwasy nukleinowe- białka ? niestabilne proste Albo co spowodowało oddzielenie związki chemiczne się systemu biopolimerów od otoczenia czyli w jaki sposób powstał prototyp błony komórkowej umo\liwiającej powstanie pierwszej prakomórki ? 8 okres ewolucji biologicznej Ziemi 1 1 grudnia powstawanie tlenu w atmosferze ziemskiej 17 grudnia rozkwit bezkręgowców 18 grudnia pierwszy plankton w oceanach 19 grudnia pierwsze ryby i kręgowce 20 grudnia początek kolonizacji lądu przez rośliny 21 grudnia pierwsze owady i zwierzęta lądowe 22 grudnia pierwsze płazy i uskrzydlone owady 23 grudnia pierwsze drzewa i gady 24 grudnia dinozaury 26 grudnia pierwsze ssaki 27 grudnia pierwsze ptaki 28 grudnia pierwsze kwiaty, wyginięcie dinozaurów 29 grudnia pierwsze naczelne 30 grudnia początki ewolucji płatów czołowych mózgu naczelnych 31 grudnia pierwsze istoty człekokształtne 9 okres ewolucji biologicznej Ziemi 2 ok. 1330 pojawienie się prawdopodobnych przodków ludzi i małp ok. 2230 pierwsi ludzie 2300 rozpowszechnienie się narzędzi z kamienia 2346 opanowanie ognia przez człowieka pekińskiego 2358 kolonizacja Australii przez ludzi 2359 malowidła jaskiniowe w Europie -40 s wynalezienie rolnictwa - 25 s pierwsze miasta panowanie pierwszych dynastii sumeryjskich i egipskich, początki - 10 s astronomii - 9 s wynalezienie alfabetu - 8 s kodeks Hammurabiego - 7 s okres brązu, wojny trojańskie, wynalezienie kompasu okres \elaza, zało\enie Kartaginy przez Fenicjan - 6 s geometria Euklidesa, fizyka Archimedesa i astronomia Ptolemeusza - 4 s wynalazek zera i liczb dziesiętnych w Indiach, upadek Rzymu - 3 s Renesans w Europie, początki metod doświadczalnych w nauce - 1 s uzyskanie przez ludzkość energii pozwalającej na samozagładę, 0 s pierwsze podró\e pozaziemskie 10 ekosfera EKOSFERA ANTROPOSFERA CZAOWIEK Z biologicznego punktu widzenia, istoty ludzkie wchodzą w skład systemu środowiskowego jako elementy tej całości. Jednak równocześnie, aby funkcjonować, człowiek musi eksploatować środowisko. Ta paradoksalna rola, jaką odgrywamy wobec środowiska, będąc równocześnie jego integralną częścią a zarazem eksploatatorem, zniekształca nasze pojęcie o nim. Skoro jedyną szansą ludzkości jest przejście od cywilizacji naukowo-technicznej do cywilizacji ekorozwoju, spróbujmy uzmysłowić sobie czym jest i jak funkcjonuje ekosfera - biologiczna przestrzeń \yciowa człowieka. 11 biocykle ATMOSFERA LITOSFERA HYDROSFERA POWIETRZE GLEBA WODA SYSTEMY EKOLOGICZNE EKOSFERA BIOLOGICZNA PRZESTRZEC śYCIOWA CZAOWIEKA PIERWIASTKI śYCIA AZOT WGIEL WODÓR TLEN 12 biocykle obieg azotu w przyrodzie Azot występuje " w stanie wolnym w powietrzu " " " " w stanie związanym w związkach organicznych występujących w humusie czyli " " " organicznej części gleby, " w związkach organicznych tworzących białko, kwasy nukleinowe, enzymy i witaminy " " " BIAAKO POWIETRZE ROŚLINY ZWIERZTA A SYSTEM KORZENIOWY ROŚLIN Z A O Z ODPAD ORGANICZNY BIOLOGICZNE T O ENERGIA A PROCESY UTLENIANIA T N Y BAKTERIE AZOT MIKRO- AZOT BAKTERIE TLEN WODA ORGANIZMY GNILNE I GLONY AZOTANY WODNY ROZTWÓR AZOTANÓW HUMUS HUMUS GLEBA 13 biocykle sieciowa budowa ekosystemu PROMIENIOWANIE SAONIECZNE OZONOSFERA ULTRAFIOLET DODATNI EFEKT TERMICZNY O2 CO2 H2O (CIEPAO) ROŚLINY ZWIERZTA POKARM ZIELONE ROŚLINOśERNE ODPAD ORGANICZNY HUMUS 14 biocykle ekosystem wodny TLEN ŚWIATAO e Tempo przemian metabolicznych n tempo w jakim organizm zu\ywa e fotosynteza r pokarm, tlen czy produkuje odpady g jest odwrotnie proporcjonalne i do wielkości tego organizmu a ł a ń c u c h t r o f i c z n y e GLONY PLANKTON RYBY Np. n p jeśli dla ryb przyjmiemy jako równe 1, e o to dla glonów wynosi ono 100, r k a dla bakterii gnilnych jest 10 000 g a i ODPADY ORGANICZNE r a Podobnie porównać mo\na m cykl reprodukcji: AZOTANY dla ryb kilka miesięcy dla glonów- kilka dni dla bakterii kilka godzin BAKTERIE GNILNE W ekosystemie jeśli nie Wszechświata, to Układu Słonecznego, największe tempo przemiany metabolicznej i najkrótszy cykl reprodukcji charakteryzuje gatunek ludzki 15 biocykle sieciowa budowa ekosystemu Ekosfera ma postać sieci ekologicznej, którą stanowią skomplikowane, wzajemnie przenikające się ekosystemy (układy ekologiczne). Im większy stopień skomplikowania danego układu, tym większe i bardziej długotrwałe napięcia jest on w stanie wytrzymać nie ulegając zniszczeniu. Charakterystyczną cechą ekosystemu jest cykliczność zachodzących w nim przemian. Tempo przemian musi być wyznaczone przez najpowolniejszy etap cyklu. Tylko wówczas działa bowiem dynamiczna samokompensacja systemu i nie dochodzi do jego zniszczenia. Sieć ekologiczna ma cechy wzmacniacza. Małe zewnętrzne zakłócenia w jednym punkcie mogą spowodować odległe w czasie i przestrzeni znaczące dla systemu zmiany 16 biocykle program BIOSFERA II 1 Edward Bass 100 mln $ - 1988 - południowa Arizona 12 000 m2 miniatura planety Ziemia realizacja programu badawczego stacje międzyplanetarne lato 1991 8 biosferyków absolutna izolacja od świata zewnętrznego przez 24 miesiące 8 biomów biom mieszkalny : 8 mieszkań, biblioteka, laboratoria, studio odnowy biologicznej, wie\a widokowa biom rolniczy (2 000 m2): warzywa, owoce, ry\, kury, kozy, świnie, kaczki, ryby pozostałe 5 biomów pod szklaną kopułą o wysokości 26 m, 3800 gat. roślin i zwierząt " tropikalny las (ponad 300 gat. roślin , strumyk) " " " " sawanna ( roślinność ze stepów Afryki, Ameryki Płd., Australii) " " " " krajobraz bagienny, " " " " mini-ocean ( rafa koralowa z Karaibów), " " " " pustynia " " " technosfera : 27 urządzeń klimatycznych, 5000 czujników, sterowanie komputerowe, elektrownia o mocy 3,7 MW ( rurociąg gazowy to rodzaj pępowiny łączącej Biosferę II ze światem zewnętrznym) 17 biocykle program BIOSFERA II 2 18 biocykle program BIOSFERA II 3 1994 załamanie projektu 10 % nieszczelność gazowa - dostarczano tlen i inne zapasy, usuwano nadmiar CO2 nie występująca w naturze du\a zmienność zawartości CO2, nadmierne stę\enie podtlenku azotu, kwaśne deszcze, nadmierny rozwój karaluchów i mrówek, kosztem innych gat. Pomimo najnowocześniejszej techniki niemo\ność przeprowadzania jednoczesnych eksperymentów kontrolnych Wymieniono powietrze, tak by doprowadzić zawartość CO2 do stanu występującego w atmosferze ziemskiej, Wymieniono ok. 750 tys. l wody i 12 t gleby Podejmowane są próby badania zmian atmosfery w czasie, ale trudności bo niektóre gazy pochłania betonowa konstrukcja 19 prawa ekologiczne 1 Niepowodzenie programu badawczego BIOSFRA II stanowi dowód na to, jak trudno jest zamodelować procesy zachodzące w sieciach ekosystemu. Istnieje oczywiście szereg cząstkowych modeli matematycznych opracowywanych dla realizacji określonych celów przez biologów, meteorologów, chemików, lekarzy, in\ynierów. Nie dysponujemy jednak niestety modelem ekologicznym naszego świata, aczkolwiek nie ustajemy w poszerzaniu naszej wiedzy o prawach rządzących środowiskiem naszego \ycia. Próbę sformułowania ogólnych praw ekologii podjął 50 lat temu temu Barry Commoner w swej ksią\ce Zamykający się krąg: przyroda człowiek - technika Jeśli mamy przetrwać, musimy zrozumieć dlaczego dalszy niekontrolowany rozwój cywilizacji naukowo-technicznej, któremu towarzyszy pogwałcenie podstawowych praw ekologii stanowi zagro\enie bytu człowieka . 20 prawa ekologiczne 2 PODSTAWOWE PRAWA EKOLOGII 1. Ka\da rzecz jest powiązana z wszystkimi innymi rzeczami - sieciowa struktura ekosystemu. 2. Ka\da rzecz musi się gdzieś podziać W przyrodzie nie istnieje coś takiego jak odpad. Dla ka\dej substancji organicznej istnieje w przyrodzie enzym, który mo\e ją rozło\yć. Nie mo\e więc powstać \adna materia, jeśli brak jest mo\liwości jej rozkładu. 3. Przyroda wie najlepiej. Oznacza to, \e ka\da powa\niejsza zmiana sztucznie dokonana przez człowieka w systemie naturalnym jest wg wszelkiego prawdopodobieństwa szkodliwa dla tego systemu. 4. Nie istnieje coś takiego jak obiad za darmo. Ka\dy zysk osiągany jest jakimś kosztem. Zapłaty za eksploatację środowiska nie mo\na uniknąć. Mo\na ją tylko odsunąć w czasie. ... 5. Wszystkie cztery prawa ekologii obowiązujące w ekosystemie Ziemi są prawdziwe równie\ w ekosystemie jeśli nie Wszechświata, to przynajmniej naszego układu słonecznego. W układzie człowiek-wszechświat to właśnie człowieka charakteryzuje największe tempo przemian metabolicznych i w rozumieniu praw ekologii to 21 właśnie człowiek stanowi największe zagro\enie stabilności tego układu.