Katolicki Uniwersytet Lubelski
Jana Pawła II
Katedra Chemii
Geochemia,
biogeochemia
czyli Ziemia, życie, ewolucja
Andrzej Kuczumow
Wprowadzamy skalÄ™ czasu
Poprzednia tablica w innej wersji
Okres czasu, który nas dzisiaj najbardziej będzie interesował 
eon fanerozoiczny
Stromatolity
Znalezione w Glacier National Park  sfosylizowane sinice 
wiek 3.5 mld lat  prawdopodobnie najstarsze znalezione
ślady życia na Ziemi
Tak wyglądają współczesne
glony, zdolne do fotosyntezy
Ewolucja komórek
Współczesne komórki ewoluowały od prokariotycznego przodka poprzez
3 linie rozwoju: archaeobakterie, eubakterie i eukarioty. Mitochondria
i chloroplasty są z endosymbiozy sinic i praeukariotów.
Wyewoluowały komórki - roślinna
Wyewoluowały komórki - zwierzęca
Typowa sinica  pierwszy organizm
zdolny do fotosyntezy i uwolnienia tlenu
Co więcej, te organizmy mogły
żyć na wilgotnych skałach
Sinice dominowały przez co najmniej 2 miliardy lat
Pojawienie się stref tlenków
Fe(III)  RPA, 3.15 mld lat
Świadectwo obecności wolnego tlenu
i wydajności sinic
Ważne wydarzenia osadzone w czasie
Ważne wydarzenia osadzone w czasie
2 4 mld lat
1 3
Pierwszy eksperyment Natury
z organizmami wielokomórkowymi 
fauna ediakarska  600(565)-543 Ma
Spriggina  być może poprzedniczka trylobitów. Inne okazy tej fauny
nie mają odniesień do póz
niejszych form i dlatego fauna ediakarska
bywa nazywana nieudanym eksperymentem Natury
Klasyczny okaz fauny ediakarskiej 
Dickinsonia costata
Wielokomórkowe, ale bez szkieletów
Rekonstrukcja organizmów ediakarskich w
ich środowisku
" Fauna ediakarska wymarła z końcem
Wendu (544 mln lat temu)
" Należało czekać na tzw. eksplozję
kambryjską, która trwała ok. 30 mln lat i
doprowadziła do powstania organizmów
zwierzęcych znanych dzisiaj
" Czy rzeczywiście?
Dane genetyczne wskazują, że organizmy
wielokomórkowe powstały może nawet 1
mld lat temu;
A w Chinach znaleziono sfosylizowane
embriony (dość zaawansowane), datowane
na 600 mln lat.
Warunki dla powstania
organizmów wielokomórkowych
" Dzisiaj uznaje się, że organizmy musiały
nazbierać odpowiednią  pulę genową , aby
wyewoluowały zdolne do przeżycia
wielokomórkowce;
" Musiał się podwyższyć poziom tlenu w powietrzu,
co zwiększyło szybkość procesów
metabolicznych;
" Skład morza umożliwiał powstanie węglanowych
lub krzemionkowych osłon  szkieletów
zewnętrznych, co poprawiło możliwości
komunikacyjne i bezpieczeństwo
Typowa skamielina kambryjska
Wyobrażenie morza
kambryjskiego
Takie sympatyczne drapieżniki
polowały na mniejsze zwierzęta kambryjskie:
Anomalocaris, do 3m, do 70 kg
To już coś znanego, pierwsza ryba,
Anatoleptis, ze Skandynawii
Takie coś wylazło na ląd w Szkocji
428 Ma, może protoplasta płazów
Teraz zatrzymajmy siÄ™
" Skąd wiemy o tym co się działo dawno
temu?
" Oczywiście, z badania skamieniałości
" Ze zliczania skamieniałości
" Z badań genetycznych
" Z modeli biogeochemicznych
Wiele modeli rozwoju stworzył R. Berner,
oparte sÄ… na PROSTYM zestawie reakcji:
" (Ca,Mg)CO3 + SiO2 Ûð (Ca,Mg)SiO3 + CO2
(1)
" CO2 + H2O Ûð CH2O + O2 (2)
" 15O2 + 4FeS2 + 8H2O Ûð 2Fe2O3 + 8SO42- + 16H+
(3)
Pozornie to wszystko jest proste, ale trzeba znać
przepływy substancji w skali globalnej, co jest zawsze
trudne i problematyczne. Dla każdej substancji mamy wiele
przepływów, podprzepływów i sprzężeń zwrotnych
I to wszystko należy obliczyć
Inne modele:
" COPSE
" MAGic
" Skrzynkowy Bartdorffa
Wyniki mogą, ale nie muszą się pokrywać!
 Asymptotic line
CO3 acc. Bartdorff
CO
-5502 acc. Berner -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
-500 -450
30
Duże różnice,
8
u Bernera
25
poczÄ…tkowe poziomy
20 6
znacznie wyższe;
Ale i podobieństwa
15
-ogromna tendencja
4
spadkowa
10
2
5
0 0
-550 -500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
Age [Ma]
Dwa modele ewolucji CO2 - Bernera i Bartdorffa
CO relative concentration [a.u.]
2
2
CO relative concentration [a.u.]
 CO2
Accumulated CaCO3
Organic carbon
-500 -400 -300 -200 -100 0
40
10
35
8
30
25
6
20
15
4
10
2
5
-500 -400 -300 -200 -100 0
Age [Ma]
Dużo się działo  ilość odłożonych wapieni zmieniała się jak
zawartość CO2 w powietrzu, ale ilość materii organicznej 
proporcjonalnie do  zjedzonego CO2
Relative concentration [a.u.]
Comcentration [a.u.]
 O2 acc. Bergmann
O2 acc. Berner
O2 acc. Bartdorff
-550 -500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
35
35
30
30
25
25
20
15
20
10
15
5
10
-500 -400 -300 -200 -100 0
Age [Ma]
To są poziomy tlenu wg różnych modeli  ok. 300 mln lat temu
było go znacznie więcej niż obecnie; powiększanie ilości tlenu
pokrywa siÄ™ z okresem konsumpcji CO2
Concentration [%]
Concentration [%]
 temperature of the Earth
temperature of the world ocean
CO2
-500 -400 -300 -200 -100 0
24
20
20
16
18
12
16
8
4
14
0
-500 -400 -300 -200 -100 0
Age [Ma]
Inna bardzo ważna zależność  temperatura globu zależy
od zawartości CO2 w atmosferze, temperatura wody w Oceanie
też, ale mniej wyraz
nie
Temperature [ C]
o
o
2
Temperature [ C]
CO concentration [a.u.]
Rozwój taksonów roślinnych
Ewolucja roślin naczyniowych
A tak się zaczęła ewolucja roślin
naczyniowych
Pierwsza roślina lądowa, Cooksonia
pertoni, 2.5 cm, 425 mln lat
A tak ewolucja roślin
naczyniowych przebiegała
Rozwój 4 wielkich taksonów roślinnych
na tle konsumpcji CO2
-550 -500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
450
Inverted CO2
2
400
350
300
Gymnospermae
4
Pteridophytae
250
200
150
6
100
Psylophitae
50
Angiospermae
0 8
-500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
Age [Ma]
Relative concentration
Abundance [a.u.]
Rozwój 4 wielkich taksonów roślinnych i
wahania temperatury globu
Inverted temperature
-550 -500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
450
14
Inverted temperature
400
350
16
300
Pteridophytae
250
18
200
Psylophitae
150
Gymnospermae
100
20
50
Angiospermae
0
-500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
Age [Ma]
Temperature [ C]
o
Abundance [a.u.]
Rozwój 4 wielkich taksonów roślinnych
" Tak więc przy rozwoju każdego wielkiego
taksonu roślinnego następowało  wyżarcie
CO2
" Następował jednocześnie znaczny spadek
temperatury
To nic innego jak samobójstwo -
staje się bardzo głodno i bardzo zimno.
Nikt tu nie pomaga, świat roślinny ginie
przez własną żarłoczność.
Co znaczy: rośliny wielokomórkowe są
wspaniałymi katalizatorami obiegu węgla
Rozwój 4 wielkich taksonów roślinnych
na tle emisji O2
-550 -500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
36
450
O2 Angiospermae
400
32
350
300
Pteridophytae
28
250
Psylophitae
200
Gymnospermae
24
150
100
20
50
0
-500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
Age [Ma]
Concentration [%]
Abundance [a.u.]
Rozwój 4 wielkich taksonów roślinnych
poprzerywany wielkimi ekstynkcjami
Major extinctions
-550 -500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
60
450
Angiospermae
400
50
350
300
Pteridophytae
250
40
Gymnospermae
200
Psylophitae
150
30
100
50
0 20
-500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
Age [Ma]
Percentage [%]
Abundance [a.u.]
Inna wersja zagłady - prawdopodobny udział
meteorytów w ostatniej wielkiej ekstynkcji 65
mln lat temu  zabójstwo, a nie samobójstwo!
Rozwój 4 wielkich taksonów roślinnych jest
równoległy do rozwoju morskich bezkręgowców
Pheridophytae
Physiologically unbuffered
Gymnospermae
marine fauna
-500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
0,8 300
250
0,7
200
0,6
150
0,5
100
50
0,4
0
-550 -500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
Age [Ma]
Number of species [a.u.]
Number of species [r.u.]
I nie tylko  rozwój wielkich taksonów zwierzęcych
jest równoległy do roślinnych i współgra ze
stężeniami CO2 i O2
CO2 Pteridophytae
Amphibians
O2
Insects
-500 -400 -300 -200 -100 0
360
Pteridophyta
35
Amphibians
320
Insects
30
280
25
240
20 200
160
15
120
10
80
5
40
0 0
-500 -400 -300 -200 -100 0
Age [Ma]
Abundancies [a.u.]
Amplitudes [a.u.]
Ważne
" Wracamy na moment do paliw kopalnych
" 75% ich powstało między 380 a 230 mln lat
wstecz
" Dane na następnym rysunku są wzajemnie
niezależne
" Czyli  najlepsze już było
" Cały czas paliwa kopalne powstają, ale z
niewielką szybkością i będą dostępne za
dziesiątki milionów lat
Tak odkładała się materia organiczna
Pteridophytae
Organic C burial
-500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
10
250
9
200
8
150
7
6
100
5
50
4
-600 -550 -500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
Age [Ma]
Abundance [No. species]
12
Organic C burial [10 M/y]
Tak powstawał węgiel i gaz ziemny, z części materii
z poprzedniego rysunku
-500 -400 -300 -200 -100 0
-500 -400 -300 -200 -100 0
250
Pteridophytae
9
CH4
Coal
200
4
6
150
2
3
100
0 0
-500 -400 -300 -200 -100 0
Age [Ma]
Intensity of signal [a.u.]
Puszcza karbońska rosnąca na bagnach 
najbardziej wydajny system roślinny w
dziejach Ziemi  dzisiaj kopalnie węgla
To był prymitywny rozwój, powstawanie masy;
dzisiejszy rozwój przyrody przebiega przez lepsze
wykorzystanie materii (drapieżnictwo) i
wyszukiwanie nisz (zróżnicowanie gatunkowe)
Proportion
Taxonomic differentiation
of predators
-500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
0,9
0,39
0,8
0,36
0,7
0,33
0,6
0,30
0,5
0,27
0,4
0,3
0,24
0,2
0,21
0,1
0,18
0,0
0,15
-500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
Age [Ma]
Ratio
Ważne  wiele krzywych można przybliżać za
pomocą funkcji rozkładu gęstości
prawdopodobieństwa Gaussa
" Dziwne  pierwsza część krzywej wyznacza jej
koniec!
" Więc  czas samobójstwa jest znany
" Wielki takson ma zdeterminowany los!
" OgromnÄ… rolÄ™ odgrywa CO2
" Prawdopodobnie poziomy poniżej 180 ppm CO2
oznaczają wyrównanie procesów asymilacji i
oddychania w komórkach  czyli zerowy bilans
procesu fotosyntezy, czyli zagładę roślin
To jest przebieg następczej ewolucji wielkich
taksonów roślinnych z ich gausowskimi obwolutami
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200
550
450
500
400
Gymnospermae
450
350
400
300
Pteridophytae
350
250
300
250
200
Angiospermae
200
150
150
100
100
50 Psylophitae
50
0 0
-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200
Age [Ma]
Abundances
Abundances
Tutaj mamy uwidocznione tendencje w ciÄ…gu
ostatnich 65 mln lat
-500 -400 -300 -200 -100 0
450
100
Insects Mammals
400
Avians
Angiospermae
350
80
300
60
250
Insects
200
40
Angiospermae
150
Mammals
100
20
50
Avians
0 0
-500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
Age [mln years]
Abundance [a.u.]
Abundance [a.u.]
A co będzie dalej?
Gaussian approx.
Rubisco
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
500 1,0
0,8
400
0,6
300
0,4
200
0,2
100
0,0
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
Age [Ma]
Katastrofa tego mechanizmu asymilacji nastÄ…pi za ok. 40 mln lat
Probability density
Vo/Vc (X 2000)
Oxygenase/carboxylase ratio of Rubisco
A co będzie dalej?
Gaussian approx.
Oxygen acc. GEOCARBIII
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
21,5 1,0
21,0
0,8
20,5
0,6
20,0
0,4
19,5
0,2
19,0
18,5
0,0
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
Age [Ma]
Kryzys z tlenem nastÄ…pi za ok. 60 mln lat
Probability density
Concentration [%]
A co będzie dalej?
Gaussian approx.
Angiospermae
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
1,0
500
0,8
400
0,6
300
0,4
200
0,2
100
0 0,0
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
Age [Ma]
Okrytozalążkowe przeżyją jeszcze ok. 110 mln lat
Probability density
Abundance [a.u.]
A co będzie dalej?
Gaussian approx.
Mammals
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
350 1,0
300
0,8
250
0,6
200
150
0,4
100
0,2
50
0 0,0
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
Age [Ma]
Ssaki majÄ… przed sobÄ… ok. 110 mln lat
Probability density
Abundance [a.u.]
A co będzie dalej?
Gaussian approx.
Birds
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
1,0
50
45
0,8
40
35
0,6
30
25
0,4
20
15
0,2
10
5
0,0
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
Age [Ma]
Los ptaków jest przesądzony za ok. 75 mln lat
Probability density
Abundance [a.u.]
A co będzie dalej?
Osteitchyes
Gaussian approx.
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
1,0
250
0,8
200
0,6
150
0,4
100
0,2
50
0,0
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
Age [Ma]
Ryby majÄ… przed sobÄ… ok. 60 mln lat
Probability density
Abundance [a.u.]
Typowy profil rozwoju wielkiego taksonu,
wg modeli, np. Lipowskiego i danych
kopalnych  to ten typ krzywej rozkładu
gęstości prawdopodobieństwa jest poprawny
Typical abundance profile
0,8
Plateau
0,7
Decline period
0,6
0,5
Great extinction
0,4
Growth period
0,3
0,2
0,1
0,0
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
Age [Ma]
Abundance profile
Tak wygląda profil rozwoju pterydofitów
wg modelu Lipowskiego
Age [Ma]
Model Pteridophytae
-360 -340 -320 -300 -280 -260 -240 -220
100 400
350
80
300
60
250
40
200
150
20
100
0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Distance [a.u.]
No of species
Intensity [a.u.]
Ewolucja kręgowców
Inny sposób przedstawienia
ewolucji kręgowców
Współewolucja wielkich taksonów
roślinnych i zwierzęcych
-500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
35
M3 450
P3 P4 M1 + M2
400
30
350
25
300
20
250
200
15
150
10
100
5
50
0 0
-500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
Age [Ma]
Abundance [a.u.]
Abundance [a.u.]
Ale i dla niższych
taksonów które długo
już trwają, jak
gromady ryb 
taki oscylacyjny
rozwój też jest
charakterystyczny
Ciekawa rzecz  kroki ewolucyjne
roślin i zwierząt nie pokrywają się
ściśle z podziałami geologicznymi
na ery
" Na poprzednim slajdzie zaznaczony jest
podział Sheehana na epoki ewolucyjne  i
ten siÄ™ pokrywa
Więc co jest z CO2?
Co z globalnym ociepleniem?
Co z zagrożeniem dla świata?
Ano, prawie nic!
Człowiek za mało znaczy, aby ukształtować
świat
Co nieco jednak może zepsuć:
" Zużyje szybko paliwa kopalne  nie będzie
miał z
ródeł energii i surowców organicznych;
" Może użyć bomby wodorowe w celach
wojskowych, ale nie cywilnych;
" Może zniszczyć różnorodność gatunkową
planety
CO2
Jest to nasz wielki przyjaciel.
" Jest żródłem tlenu i dzięki temu oddychamy;
" Jest jedynym dostawcÄ… materii organicznej i
naszym pierwotnym żywicielem;
" Jest z
ródłem paliw kopalnych  ogrzewa nas;
" Nie oddaje ciepła ziemskiego  ogrzewa nas;
" Jego zasoby sterują życiem
Zasługuje na nasz szacunek
Dlatego
dbajmy
o ZiemiÄ™!
A Państwu bardzo dziękuję, że
posłuchaliście opowieści dziadka
o tym,
co widział w swoim długim życiu
na Ziemi